¿Qué es el vapor de agua? – Definición, presión y fórmula

Definición de vapor de agua

Cuando hervimos un hervidor de agua, podemos ver el vapor que sale por el pico. O, cuando miramos hacia el cielo, vemos hermosas formas en las nubes. Sabemos que ambas cosas ocurren debido a la evaporación del agua. Pero, ¿sabías que el agua evaporada (agua en estado gaseoso), llamada vapor de agua , es invisible? Entonces, ¿cómo vemos el vapor que sale de la tetera y las nubes en el cielo? Lo que estamos viendo es en realidad agua líquida suspendida en el aire por vapor de agua.

Las nubes se forman cuando el vapor de agua flota en el cielo y luego se condensa nuevamente en agua.

El vapor de agua todavía tiene la misma fórmula química que el agua típica – H 2 O – pero las moléculas de agua en vapor interactúan menos uno con el otro y no son tan estructurado como lo son en agua y hielo. Si el agua estará o no en forma líquida o gaseosa depende de la presión, la temperatura y la humedad relativa.

Vapor de agua Formula, Temperatura y presión 

Normalmente nos referimos al punto de ebullición del agua como 100 grados Celsius. Pero realmente este es solo el punto de ebullición a la presión del nivel del mar. A medida que la presión disminuye, necesitamos temperaturas cada vez más bajas para evaporar el agua. Si la presión es lo suficientemente baja, ¡incluso podríamos obtener vapor de agua directamente del hielo!

El agua también se evaporará para equilibrar el aire seco. La presión causada por el aire proviene de una combinación de todas las partículas en el aire. Al observar la presión de un solo tipo de partícula, el vapor de agua en este caso, su presión se mide usando presión parcial . El agua se evaporará para tratar de asegurar que haya suficiente vapor de agua en el aire para alcanzar un punto de equilibrio.

El equilibrio se refiere a un nivel específico de agua en la fase gaseosa frente a la fase líquida necesaria para crear una presión parcial ideal. Esta presión parcial ideal cambia según la temperatura del agua. Una vez que el agua alcanza el equilibrio, el aire ha alcanzado la presión de vapor saturada.

Hay varias fórmulas diferentes que se pueden usar para determinar la presión de vapor máxima, llamada presión de vapor saturada , para describir el equilibrio a cualquier temperatura dada. La más precisa es la ecuación de Buck, donde la temperatura (T en la ecuación) está en grados Celsius y la presión de vapor saturado (P en la ecuación) está en kPa:

A medida que aumenta la presión del vapor de agua en el aire (con un aumento de temperatura), vemos un aumento de la humedad. Dado que la temperatura está en la parte exponencial de la ecuación, el porcentaje máximo posible de humedad aumenta exponencialmente por cada grado de aumento de temperatura.

Ejemplos de la vida real

Hemos hablado de varios términos diferentes y hemos analizado la fórmula, pero ¿qué tiene esto que ver realmente con el ciclo del agua? Veamos un lago grande, como el lago Erie. Digamos que hace 25 grados C. Podemos conectar esto en la ecuación de Buck:

Redondeando al lugar de las centésimas más cercano, obtenemos aproximadamente 3,18 kPa para la presión de vapor saturada. Esto significa que el agua se evaporará hasta que la presión parcial de vapor de agua sea igual a 3,18 kPa en el aire. El vapor de agua continuará flotando en el aire hasta que alcance una temperatura más baja donde la presión no necesita ser tan alta y se condensará nuevamente en agua. Si esto sucede en el cielo, veremos que se forman nubes. Con el tiempo, se acumulará suficiente agua y caerá como lluvia o nieve. Y el ciclo continúa.

¿Y el agua hirviendo? Si simplemente dejáramos una olla con agua, sin calor, habría un poco de agua que se evaporaría, debido al agua que intenta alcanzar el equilibrio, pero no mucha (como en el lago). Ahora, si le agregamos calor, la temperatura está aumentando. Cuando miramos la ecuación de Buck, vemos que por cada grado de aumento de temperatura, la presión de vapor necesaria para alcanzar el equilibrio aumenta.

El agua hierve cuando alcanza una temperatura en la que toda el agua quiere estar en forma de gas

Entonces, eventualmente comenzamos a ver salir vapor de la olla, incluso antes de que comience a hervir, porque cada vez más agua se ha escapado de la superficie. Pero el vapor de agua es invisible, entonces, ¿por qué podemos ver que sale vapor? Bueno, una vez que las moléculas de vapor de agua escapan de la superficie del agua, de repente se elevan al aire. A medida que la temperatura comienza a bajar, algunas de estas moléculas se condensan nuevamente en agua líquida y permanecen suspendidas en el aire, haciendo visible el vapor. Finalmente, llegamos a los 100 grados Celsius (el punto de ebullición del agua). Realmente, el punto de ebullición significa que el vapor de agua quiere una presión parcial del 100%: quiere que todo el aire sea vapor de agua.

Resumen de la lección

El vapor de agua es agua en estado gaseoso y es invisible para el ojo humano. El agua se convertirá en vapor o se evaporará para alcanzar el equilibrio . El equilibrio se mide usando presión parcial , la presión de las moléculas de vapor de agua en el aire.

Una vez que el agua ha alcanzado el equilibrio, el aire ha alcanzado la presión de vapor de saturación . La presión parcial ideal necesaria para alcanzar el equilibrio es diferente a cualquier temperatura dada. Podemos usar la ecuación de Buck para determinar la presión de vapor saturada:

Esta ecuación puede darnos una comprensión más profunda del punto de ebullición del agua (100 grados Celsius), ya que nos dice que la presión de vapor aumenta exponencialmente por cada grado de aumento de temperatura. Por debajo de los 100 grados Celsius, algo de agua ya se está evaporando para alcanzar el equilibrio, pero una vez que llegamos al punto de ebullición, el agua quiere que la presión parcial ideal sea del 100%, o que todo el aire sea vapor de agua. El vapor de agua es invisible, pero a medida que aumenta y la temperatura disminuye, algunas de las moléculas se condensan en agua líquida. Esto, el deseo constante del agua por el equilibrio, es lo que nos permite ver el vapor que sale de la tetera y las nubes que se forman en el cielo.