Hidrología Superficial, Brigada 4
Unidad 6- Evaporación y Transpiración.
INSTITUTO TECNÓLOGICO DE TIJUANA
Departamento de Ciencias de la Tierra
INGENÍERIA CIVIL
Hidrología Superficial.
Castañeda Gonzales Luis Guadalupe.
Cortes Gutiérrez Andrés.
García Quistián Jesús Armando.
Nuño Camargo José Javier.
Ortiz Piña Juan Manuel.
Unidad VI: Evaporación y Transpiración.
6.1 -Naturaleza del Proceso.
6.2 -Factores que afectan a la Evaporación.
6.3 -Medición de la Evaporación.
6.4 -Transpiración.
6.5 -Determinación de la Transpiración.
6.1 -Naturaleza del Proceso.
La evaporación es el proceso por el cual las moléculas en estado líquido (por ejemplo, el agua) se hacen gaseosas espontáneamente (ej.: vapor de agua). Es lo opuesto a la condensación. Generalmente, la evaporación puede verse por la desaparición gradual del líquido cuando se expone a un volumen significativo de gas.
Por término medio, las moléculas no tienen bastante energía para escaparse del líquido, porque de lo contrario el líquido se convertiría en vapor rápidamente. Cuando las moléculas chocan, se transfieren la energía de una a otra en grados variantes según el modo en que chocan.
Los líquidos que no parecen evaporarse visiblemente a una temperatura dada en un gas determinado (p.ej., el aceite de cocina a temperatura ambiente) poseen moléculas que no tienden a transferirse la energía de una a otra como para darle "la velocidad de escape" (la energía calórica) necesaria para convertirse en vapor. Sin embargo, estos líquidos se evaporan, pero el proceso es mucho más lento y considerablemente menos visible.
La evaporación es una parte esencial del ciclo del agua. La energía solar provoca la evaporación del agua de los océanos, lagos, humedad del suelo y otras fuentes de agua. En hidrología, la evaporación y la transpiración (que implica la evaporación dentro de la estoma de la planta) reciben el nombre conjunto de evapotranspiración.
Teoría cinética
Para que las moléculas de un líquido se evaporen, deben estar localizadas cerca de la superficie, moverse en la dirección apropiada y tener la energía cinética suficiente como para vencer las fuerzas intermoleculares de la fase líquida. Sólo una pequeña proporción de las moléculas cumplen con estos criterios, por lo que la tasa de evaporación es limitada. Ya que la energía cinética de una molécula es proporcional a su temperatura, la evaporación se produce más rápido conforme la temperatura es más alta. Como las moléculas que se mueven más rápido escapan, las moléculas restantes tienen una energía cinética media inferior, y por tanto la temperatura del líquido disminuye. Este fenómeno se conoce como refrigeración evaporativa, y es la razón por la cual la evaporación del sudor refresca el cuerpo humano. La evaporación también tiende a producirse más rápidamente con tasas de flujo más altas entre la fase gaseosa y líquida, y en líquidos con presión de vapor más alta. Por ejemplo, la ropa tendida en un cordel secará (por evaporación) más rápidamente durante un día ventoso que en un día sin viento. Tres puntos claves de la evaporación son el calor, la humedad y el movimiento del aire.
Equilibrio evaporativo
Si la evaporación ocurre en un recipiente cerrado o en sitios calientes, las moléculas que se escapan se acumularán como vapor encima del líquido. Muchas de las moléculas vuelven al líquido, haciéndose el retorno más frecuente conforme la densidad y la presión del vapor aumentan. Cuando el proceso de fuga y retorno alcanza un equilibrio, se dice que el vapor está "saturado", y ya no se dará ningún cambio adicional en la presión o la densidad del vapor. Para un sistema que consiste en vapor y líquido de una sustancia pura, este estado de equilibrio está directamente relacionado con la presión de vapor de la sustancia, como viene expresado en la relación de Clausius-Clapeyron:
donde P1 y P2 son las presiones de vapor a temperaturas T1 y T2 respectivamente, ΔH vap es la entalpía de la vaporización, y R es la constante universal de los gases. La tasa de evaporación en un sistema abierto está relacionada con la presión de vapor encontrada en un sistema cerrado. Si un líquido se calienta, cuando la presión de vapor alcance la presión ambiental, el líquido hervirá.
La capacidad para evaporarse de la molécula de un líquido se debe en gran parte a la cantidad de energía cinética que una partícula individual pueda poseer. Incluso a temperaturas inferiores, las moléculas individuales de un líquido pueden evaporarse potencialmente si tienen más de la cantidad mínima de energía cinética requerida para la vaporización.
Aplicaciones.
Secado
Cuando la ropa se cuelga de un cordel, aunque la temperatura ambiental esté por debajo del punto de ebullición del agua, el agua se evaporará. Este proceso se acelera por factores como humedad baja, calor (del sol) y viento. En un secador de ropa, se hace pasar aire caliente por las prendas, permitiendo que el agua se evapore muy rápidamente
.
Combustión
Las gotitas de combustible se vaporizan, cuando reciben calor, mezclándose con los gases calientes en la cámara de combustión. El calor (energía) también puede ser recibido por radiación de cualquier pared refractaria caliente de la cámara de combustión.
Deposición de capas
Evaporando una sustancia y condensándola en un sustrato es posible depositar capas delgadas.
-Factores que afectan a la Evaporación.
a) Radiación solar:
Sirve como fuente de energía para que se efectúe el proceso antes descrito. La evaporación es un cambio de estado y precisa una fuente de energía que proporcione a las moléculas de agua la suficiente para realizarlo, la duración del día o insolación está involucrada dentro de este factor.
La cantidad de agua que se puede evaporar depende fundamentalmente de la energía disponible para el cambio de estado.
b) Temperatura:
El aumento en la temperatura origina un incremento de la energía cinética y consecuentemente de la presión de vapor. La diferencia de temperatura entre la superficie evaporante y el aire circundante proporciona una diferencia de tensiones, y una medida de la capacidad de la atmósfera de admitir vapor de agua. Si un incremento en la temperatura del aire está correspondido con un aumento en la temperatura de la superficie de evaporación, también se incrementará la presión acuosa en ambos, pero la diferencia de presión entre ellos se puede mantener constante. Dado que la evaporación es proporcional a la diferencia de presión de vapor entre el aire y la superficie evaporante, igual incremento de temperatura en ambos no incrementará la tasa de evaporación. Por lo tanto un aumento de la temperatura influye favorablemente en la intensidad de la evaporación, si permite que una mayor cantidad de agua pueda estar presente en la atmósfera.
c) Humedad atmosférica.
Es un factor determinante en la evaporación ya que para ésta se produzca, es necesario que el aire próximo a la superficie de evaporación no esté saturado (situación que es facilitada con humedad atmosférica baja).
d) El viento.
Después de la radiación es el más importante, ya que renueva el aire próximo a la superficie de evaporación que está saturado. La combinación de humedad atmosférica baja y viento resulta ser la que produce mayor evaporación. El viento también produce un efecto secundario que es el enfriamiento de la superficie del líquido y la consiguiente disminución de la evaporación.
e) Tamaño de la masa de agua.
El volumen de la masa de agua y su profundidad son factores que afectan a la evaporación por el efecto de calentamiento de la masa.
Volúmenes pequeños con poca profundidad sufren un calentamiento mayor que facilita la evaporación.
f) Salinidad.
Disminuye la evaporación, fenómeno que sólo es apreciable en el mar.
6.3 -Medición de la Evaporación.
Los instrumentos empleados para medir el poder de evaporación del aire son los evaporímetros o atmidómetros, éstos se clasifican en:
A) Medidores de evaporación potencial o del poder evaporante de la atmósfera
a) Tanques de evaporación
b) Recipientes de vaporización
c) Recipientes de porcelana porosa
d) Evaporímetros de disco de papel.
B) Evaporímetros registradores
e) Evaporígrafos
Descripción de los aparatos:
a) Tanques de evaporación
Los tanques de evaporación comúnmente usados para las medidas ordinarias están hechos de hierro galvanizado, zinc y cobre y son generalmente circulares, habiéndolos en varios tamaños. Pueden estar o no pintados y sus superficies pueden o no estar cubiertas con una red o malla. Pueden instalarse sobre el suelo, en el suelo o flotar en una superficie de agua. Una de las principales causas de las variaciones entre la evaporación de un tanque y la de una masa de agua relativamente profunda, es la diferencia en el calor almacenado. Parte del calor recibido en la superficie de un lago o estanque profundo durante la primavera y el verano, sirve para calentar el agua a considerable profundidad y no es inmediatamente utilizable como fuente de energía para la evaporación. Este calor almacenado suministra energía adicional para la evaporación durante el otoño y el invierno. El agua del tanque, en cantidad escasa, tiene poca capacidad para almacenar calor, con el resultado de que las medidas están más directamente influidas por el calor recibido. Los tanques flotantes se usan a menudo para minimizar esta discrepancia y, aunque sus medidas se consideran como más representativas, también requieren ajuste. Un elemento de desconfianza en la medida de los tanques flotantes es el posible "salpicado" del agua hacia adentro o de adentro hacia afuera por la acción de las olas. Ya se dijo que la evaporación sobre los tanques es más grande que la de las adyacentes masas de agua líquida. Generalmente la diferencia varía en razón inversa al tamaño de los tanques, por lo que las medidas de los pequeños requieren los más grandes ajustes. La proporción entre la evaporación de una gran masa de agua y la de un tanque conoce con el nombre de coeficiente del tanque. Éste se usa para estimar la evaporación de un lago, estanque o pantano aplicando las medidas de tanques próximos. El coeficiente es variable y, por lo general, más alto en invierno que en verano, porque en invierno disminuye la evaporación de los tanques. La influencia de los colores del tanque sobre la proporción de evaporación depende de su relativa absorción calorífica. La evaporación en los tanques obscuros es mayor que la que se registra desde los pintados o galvanizados; los tanques pintados de colores claros registran una menor evaporación. Mediante el uso de una pantalla sobre la superficie del agua en el tanque se puede reducir la evaporación y la turbulencia del agua.
Medidas en los tanques.
Para efectuarlas generalmente se utilizan dos métodos. Uno que puede llamarse volumétrico, consiste esencialmente en medir los volúmenes de agua que es preciso añadir periódicamente al tanque para reponer en éste su nivel inicial; se obtiene haciendo que el agua del depósito enrase con la punta metálica de un vástago unido al fondo o a la pared del tanque. El otro método se basa en la medida periódica de los niveles que el agua tiene en el tanque, deduciendo como diferencia de estos niveles la evaporación habida en el tiempo transcurrido entre dos medidas consecutivas. Aquí el nivel del agua en el depósito se obtiene mediante un tornillo medidor (tornillo micrométrico), que consiste en un vástago roscado y graduado que termina en un gancho de punta afilada (Figura 1).
b) Recipientes de vaporización.
Existe un evaporímetro de balanza formado por un recipiente lleno de agua, que se coloca como el platillo de los aparatos llamados pesacartas. Cada día se llena y al cabo de 24 horas, como parte del agua se habrá evaporado, el platillo habrá subido, pudiéndose leer el número de milímetros que ha bajado la superficie de esa agua debido a la evaporación (Figura 2).
c) Recipientes de Porcelana Porosa.
Entre los aparatos de este tipo está la esfera de Livingston, la cual se usa mucho en investigaciones botánicas y forestales. Consiste en una esfera de porcelana porosa con un vástago barnizado e impermeable; para usarla, ésta se une a un tubo de vidrio que entra en una botella con agua. La esfera es alimentada por el vapor de agua que pasa a través del tubo y la evaporación se mide calculando la pérdida de agua del depósito (Figura 3).
d) Evaporímetros de disco de papel.
De este tipo es el evaporímetro Piche, que es el más sencillo, barato y práctico. Está formado por un tubo de 1 cm de diámetro graduado en centímetros y milímetros, abierto por un extremo que se cubre con un disco de papel filtro sujeto por un muelle, se llena de agua destilada o de lluvia, se invierte con cuidado y se cuelga (Figura 4). Los tubos también pueden ser en forma de pipa, con el orificio en la parte inferior de ésta, sobre el cual se coloca el disco de papel filtro, igualmente sostenido por un muelle.
e) Evaporígrafos
En general, los tanques de evaporización se pueden combinar con un flotador terminado en una varilla y plumilla dando lugar a los evaporígrafos. Las medidas de evaporación potencial o meteorológica, además de registrarse en aparatos, también se pueden calcular o estimar mediante fórmulas que tienen en cuenta los factores que influyen en la evaporación como la temperatura y la precipitación, la humedad del aire y la velocidad del viento.
6.4 -Transpiración.
La transpiración es el proceso mediante el cual las plantas regresan agua a la atmósfera. Después de absorber agua del suelo, las plantas liberan agua a través de sus hojas. La transpiración ayuda a la plantas a mantenerse frescas, de la misma forma que la respiración mantiene frescos a los seres humanos y animales.
Algunas veces la transpiración y la evaporación de las plantas se combina en un término científico llamado "evapo-transpiración".
1. Evaporación:
El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10% al agua que se incorpora a la atmósfera. En el mismo capítulo podemos situar la sublimación, cuantitativamente muy poco importante, que ocurre en la superficie helada de los glaciares o la banquisa.
2. La transpiración es la evaporación de agua en un ser vivo. Tanto plantas como animales transpiran.
En animales la transpiración ocurre en la piel, porque en ella se ubican las glándulas sudoríparas (glándulas productoras de sudor) que fabrican el sudor que sale por los poros. En los mamíferos es el proceso que permite regular la temperatura corporal sobre todo en ambientes cálidos o en momentos de alta actividad física.
La transpiración es un proceso fisiológico que está controlado principalmente por el sistema nervioso. Uno de los pocos mamíferos que no posee poros en la piel que le permitan la transpiración es el perro, que tiene que evaporar el agua de su lengua y empieza a jadear para facilitarlo. Otro caso es el del cerdo, que prácticamente no posee glándulas sudoríparas y que para eliminar el exceso de calor y conservar su temperatura en un valor adecuado, se refresca revolcándose sobre el lodo o el agua disponible.
En los humanos el exceso de transpiración, puede ser un problema médico (hiperhidrosis).
En las plantas, el agua llega en gran cantidad a las hojas, absorbida por las raíces, pero de la misma, sólo una pequeña parte se utiliza en la fotosíntesis. El resto, pasa al exterior en forma de vapor, proceso conocido como transpiración vegetal. En los estomas de la planta se realiza la transpiración.
La medición de la transpiración se realiza por los mismos métodos que la evaporación desde el suelo. La diferencia es que, en lugar de trabajar con un suelo desnudo, se trabaja con un suelo en el que se han plantado distintas especies vegetales y se estudia la influencia de una u otra especie en la transpiración. También se comparan períodos distintos de la vida de la planta (fenología) para observar el comportamiento de la transpiración, con ello se llega a obtener una serie de datos muy interesantes con los que se prevé la necesidad de agua en un determinado cultivo vegetal, al conocer la transpiración que esa planta va a producir en las distintas fases de su proceso biológico.
La transpiración tiene una triple variación o ciclo: diurna, estacional e interanual.
A- La variación diurna sigue aproximadamente la misma curva que la evaporación, salvo en la noche. La evaporación tiene un máximo de día y un mínimo de noche, pero en las plantas el mínimo de transpiración puede registrar valores muy bajos, sin llegar a cero, porque la vida vegetal se amortigua notablemente en las horas nocturnas.
B- Lo mismo ocurre con las variaciones estacionales, la transpiración en los distintos meses del año sigue un ciclo análogo al de la evaporación, con la diferencia de que en plantas de hoja caduca el ciclo se interrumpe durante unos meses del año, en esta época se lleva a cabo la transpiración a través de las lenticelas, aunque con valores muy bajos.
C- En general, se puede decir que la variación interanual de la transpiración sigue rigurosamente el ciclo de la evaporación. En años en que la evaporación es máxima, también lo es la transpiración.
En los humanos el exceso de transpiración puede ser un problema médico (hiperhidrosis).
En las plantas, el agua llega en gran cantidad a las hojas, absorbida por las raíces, pero de la misma, sólo una pequeña parte se utiliza en la fotosíntesis. El resto, pasa al exterior en forma de vapor, proceso conocido como transpiración vegetal. En las estomas de la planta se realiza la transpiración.
Variaciones de la transpiración
Las variaciones diurnas de la transpiración están estrechamente ligadas a las de temperatura, humedad y fundamentalmente intensidad de iluminación.
La transpiración cesa prácticamente al ponerse el sol, debido al cierre de las estomas. Las variaciones estacionales, dependen de la actividad vegetativa y de la posibilidad de que la atmósfera reciba vapor de agua. Fuera del periodo vegetativo la transpiración es prácticamente nula. Finalmente, las variaciones interanuales, son muy parecidas a las de evaporación de una superficie de agua libre en las mismas condiciones ambientales.
6.5 -Determinación de la Transpiración.
Transpiración
Es una forma de evaporación a través de las plantas. Está regida por las mismas leyes físicas que la evaporación pero con una diferencia sensible: sólo ocurre cuando hay actividad fotosintética de la planta (durante el día). El instrumental utilizado para medirla se denomina Fitómetro o Transpirómetro. Las cantidades de agua que vuelven a la atmósfera por transpiración, se expresan de dos maneras:
En mm de agua, equivalentes a dividir el volumen transpirado, por la superficie cubierta de transpiración
mediante un coeficiente de transpiración que expresa el cociente entre el peso de agua consumida y el peso de materia seca producida.
Los procedimientos para medir la transpiración, dada la dificultad para separarla de la evaporación física, en superficies naturales cubiertas con vegetación, son generalmente de laboratorio.
Por lo general se usan fitómetros y potómetros
Los fitómetros son grandes recipientes rellenos de un suelo, sobre el que se planta alguna especie vegetal. El suele se protege contra la evaporación de modo que toda la humedad desprendida provenga de transpiración y ésta se determina por pesadas sucesivas.
Los potómetros son recipientes mucho menores y que sustituyen el suelo por agua de la cual se alimenta un corte de una hoja, cuyo extremo se introduce en el agua.
Algunos de los métodos miden el vapor de agua que recoge una campana de vidrio, cerrada en su base por una hoja de la planta, por el aumento de peso de una sustancia higroscópica colocada en el interior.
Otros métodos, se basan en medir el cambio de peso de una planta por la pérdida de agua.
Método de pesada de plantas completas.
Método de pesada de partes separadas de la planta.
Método del potómetro.
Método del cloruro de cobalto.
Método de recolección del vapor de agua de la transpiración.
1) Método de pesada de plantas completas.
El primer método es uno de los más simples se utiliza para plantas sembradas en macetas, y consiste en pesar la planta con su maceta inicialmente y al cabo de un período de tiempo pesarla nuevamente, la diferencia de peso experimentado por las plantas se atribuye a la cantidad de agua eliminada por la transpiración. La superficie del suelo y las paredes de la maceta deben ser cubiertas con un material impermeable para evitar la evaporación de agua a partir de otras superficies que no sean las de la planta. Como el tiempo es corto, la pérdida de peso por respiración y la ganancia por Fotosíntesis son insignificantes en comparación con la intensa pérdida de agua por transpiración.
2) Método de pesada de partes separadas de la planta
Para el segundo método se corta la parte de la planta a la cual se le quiere medir la transpiración, por lo general las hojas, se pesan en una balanza y transcurrido unos 3 o 5 minutos se pesa nuevamente; la pérdida de peso seco se debe al agua transpirada.
Este método sirve para comparar las distintas velocidades de transpiración, y puede ser utilizada en plantas sembradas directamente en elsuelo de cultivo sin tenerlas en condiciones de laboratorio.
3) Método del potómetro.
El tercer método se utiliza en ramas provistas de hojas y separadas de la planta, el potómetro consta de un recipiente lleno de agua en el que se introduce el extremo de una ramita y se fija mediante un tapón a la boca de dicho recipiente; al recipiente están unidos un tubo capilar de vidrio graduado en posición horizontal, y a su vez, el capilar se introduce en un depósito de agua.
Antes de iniciar la medición de la transpiración, se llena de agua el aparato para evitar que queden burbujas de aire en su interior, lo que se logra al abrir la válvula de paso del depósito superior de agua. Después se introduce un burbuja de aire en el tubo capilar, la cual a medida que la transpiraciones va realizando se desplaza por el tubo capilar en dirección al recipiente con la rama, por efecto de la succión que crea la ramita al perder agua hacia la atmósfera.
4) Método del cloruro de cobalto.
El cuarto método se basa en el cambio de color que experimenta un disco de papel impregnado en cloruro de cobalto cuando es expuesto a los valores de agua. Se toman discos de papel, se humedecen con una disolución de cloruro de cobalto al 3% ligeramente acidificado con ácido acético y se dejan secar bien, los discos adquieren entonces un color azul. Cuando los discos se ponen en contacto con la superficie de la hoja que está transpirando, el color del papel de cobalto cambia gradualmente de color azul a rosado. La velocidad con que se produce el paso del color azul a rosado indica la velocidad de transpiración, que es solo un valor relativo que sirve para comparar de diferentes plantas y que puede desviarse considerablemente de las velocidades de transpiración reales.
5) Método de recolección del vapor de agua de la transpiración.
El último método consiste en encerrar una planta de maceta en una campana de cristal y hacer que circule una corriente de aire, de modo que todo el vapor de agua liberado por las hojas sea arrastrado por el aire circundante y recogido después por una sustancia absorbente de humedad como el cloruro de calcio anihidro, cuyo peso se determina con anterioridad. La continua corriente de aire hace que la humedad del aire dentro de la campana no aumente y permita la difusión de los vapores de las hojas hacia la atmósfera, parecido a como lo haría en la atmósfera libre.
El incremento de peso que experimenta el cloruro de calcio se debe a la cantidad de agua absorbida del aire que pasó a través de la campana con la planta, cuya humedad proviene en pare del proceso transpiratorio de la planta y en la parte de la humedad natural del aire.
Para conocer qué cantidad de agua fue liberada por la transpiración, es necesario hacer circular igual volumen a través de la campana, pero si la planta, y colectar la humedad de la misma forma con una cantidad igual de cloruro de calcio. La cantidad de agua transpirada por la planta estará dada por la diferencia de peso entre el cloruro.
Bibliografía.
http://www.ciclohidrologico.com/evaporacin
http://html.rincondelvago.com/evaporacion-y-evapotranspiracion.html
Instrumentos para medir Evaporización y Transpiración. Universidad Nor-Oriental Privada "Gran Mariscal de Ayacucho''
http://evaporacionytranspiracion.blogspot.mx/2013/05/factores-que-afectan-la-evaporacion.html#!/2013/05/factores-que-afectan-la-evaporacion.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Transpiración
http://civilgeeks.com/2011/06/02/evaporacion-transpiracion-y-evapotranspiracion/
http://el100ambientologo.blogspot.mx/2012/09/evaporacion-y-transpiracion.html
http://www.ecured.cu/index.php/Transpiraci%C3%B3n_en_las_plantas
