النظرية الحركية
يمكن تفسير عملية التبخر باستخدام النظرية الحركية. فجزيئات الماء، مثل جزيئات الغاز، تتحرك أيضًا. والفرق هو أن جزيئات الماء لا تنفصل لأن قوى التجاذب بينها لا تزال قادرة على إبقائها متماسكة. في المقابل، تكون قوى التجاذب بين جزيئات الغاز ضعيفة جدًا، لذا لا تستطيع جزيئات الغاز الالتصاق ببعضها. وعندما تتحرك جزيئات الماء، فإنها تمتلك سرعة. بعض جزيئات الماء لها سرعات عالية، بينما البعض الآخر له سرعات منخفضة. ويشبه توزيع سرعات جزيئات الماء توزيع ماكسويل.
يحدث التبخر عندما تكون سرعة جزيئات الماء كبيرة بما يكفي بحيث لا تستطيع قوة التجاذب بينها إبقاءها متماسكة. وكما هو الحال مع الصاروخ المنطلق إلى الفضاء، تكون سرعة الصاروخ كبيرة بما يكفي بحيث لا تستطيع جاذبية الأرض منعه من البقاء على سطحها. تجدر الإشارة إلى أن الجزيئات ذات السرعات العالية فقط هي التي تستطيع الإفلات من قوى التجاذب بينها، بينما تتحد الجزيئات ذات السرعات المنخفضة لتكوين الماء.
تمتلك جزيئات الماء كتلة وسرعة، وبالتالي تمتلك طاقة حركية (EK = 1/2 mv²).2تمتلك جزيئات الماء ذات السرعات العالية طاقة حركية أكبر من جزيئات الماء ذات السرعات المنخفضة. لذا، يمكن القول إن جزيئات الماء التي تستطيع الإفلات من قوى التجاذب بين الجزيئات (جزيئات الماء التي تتحول إلى بخار) تمتلك طاقة حركية كبيرة. عادةً، تزداد الطاقة الحركية لجزيئات الماء مع ارتفاع درجة حرارته. فإذا كانت درجة حرارة الماء مرتفعة بما يكفي، تزداد الطاقة الحركية لجزيئات الماء، وبالتالي يتحول المزيد من الماء إلى بخار. وهذا يتوافق مع نتائج الأبحاث التي تُظهر أن معدل التبخر يكون عادةً أكبر عند درجات الحرارة المرتفعة.
عند تجفيف الملابس المبللة تحت أشعة الشمس، تمتص الملابس المبللة الحرارة المنبعثة منها. وتؤدي الطاقة الإضافية من الشمس إلى زيادة الطاقة الحركية لجزيئات الماء في الملابس. وبسبب زيادة الطاقة الحركية، تتحرك جزيئات الماء بسرعة أكبر. وعندما تصل سرعتها أو طاقتها الحركية إلى قيمة معينة، تستطيع جزيئات الماء الإفلات من قوى التجاذب بينها، فتتحول إلى بخار. ومن الجدير بالذكر أن تجفيف الملابس المبللة لا يعتمد فقط على الحرارة الإضافية من الشمس، بل يمكن أن تجف أيضًا بفعل الحرارة الإضافية من الهواء الدافئ المحيط بها (حيث تنتقل الحرارة بالتوصيل من الهواء إلى الملابس المبللة).
في يوم حار، تسخن الأرض أو الأرضية بسرعة أكبر. تسخن الأرض بسرعة لأن سعتها الحرارية النوعية عالية جدًا. تسخن الأرض الهواء فوقها (في هذه الحالة، ينتقل الحرارة بالتوصيل). يتمدد الهواء الساخن (تقل كثافته) ويصعد إلى الأعلى. عندما يمر فوق ملابس مبللة، تصطدم جزيئات الهواء بجزيئات الماء الموجودة في الملابس. تتحرك جزيئات الماء بسرعة أكبر. وبسبب هذه السرعة، تزداد طاقتها الحركية. تصطدم جزيئات الماء سريعة الحركة بجزيئات ماء أخرى. وبسبب هذا الاصطدام المستمر بجزيئات الهواء، تزداد سرعة جزيئات الماء (تزداد طاقتها الحركية).
عندما تصل سرعة جزيئات الماء أو طاقتها الحركية إلى قيمة معينة، فإنها تستطيع الإفلات من قوى التجاذب بينها والتحول إلى بخار. ترتبط الطاقة الحركية لجزيئات الماء أو الهواء ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحرارة. فإذا كانت الطاقة الحركية لجزيئات الماء كبيرة، فإن درجة حرارة الماء تكون مرتفعة. والعكس صحيح، فعندما تكون درجة حرارة الماء مرتفعة، تكون الطاقة الحركية لجزيئات الماء كبيرة. كما ترتبط الطاقة الحركية بالسرعة؛ فكلما زادت الطاقة الحركية للجزيئات، زادت سرعتها، والعكس صحيح أيضًا.
ماذا عن الماء الساخن؟ يتميز الماء الساخن بدرجة حرارة عالية. وبسبب ارتفاع درجة حرارته، تمتلك جزيئات الماء طاقة حركية متوسطة كبيرة. ونظرًا لارتفاع متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الماء، فإن العديد منها يتحرك بسرعة عالية. تستطيع جزيئات الماء ذات السرعة العالية الإفلات من قوى التجاذب بينها والتحول إلى بخار. فقط جزيئات الماء ذات السرعة العالية (ذات الطاقة الحركية الكبيرة) هي التي تتحول إلى بخار، بينما لا تتحول جزيئات الماء ذات السرعة المنخفضة (ذات الطاقة الحركية الصغيرة) إلى بخار. وبالتالي، عندما تتحول جزيئات الماء ذات السرعة العالية إلى بخار، يقل متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الماء المتبقية معًا. وكلما قل متوسط الطاقة الحركية، انخفضت درجة حرارة الماء (أصبح الماء أبرد). بناءً على هذا الوصف الموجز، يمكن القول إن التبخر عملية تبريد.
تُعدّ عملية التبريد الناتجة عن التبخر ظاهرة شائعة في حياتنا اليومية. فعندما يكون الجو حارًا، يمتص الجسم كمية كبيرة من الحرارة. وللحفاظ على درجة حرارة الجسم ثابتة، يُطلق الجسم الحرارة عادةً عن طريق التعرّق. ولأن العرق يكتسب حرارة إضافية من الشمس والهواء المحيط، تزداد الطاقة الحركية لجزيئات العرق، وبالتالي تزداد سرعتها، فتتحول إلى بخار. وعندما يتبخر العرق، نشعر بالبرودة. مثال آخر... عادةً ما نشعر بالبرودة بعد الاستحمام، وذلك لأن الماء الملتصق بسطح الجلد يتبخر.
تحدث عملية التبخر المذكورة أعلاه يومياً. ويمكن أن تتبخر مياه البحر ومياه البحيرات ومياه الأنهار أيضاً...
ضغط البخار
المقصود بالبخار هنا هو بخار الماء. انظر إلى الصورة. وعاء مغلق مملوء بالماء (بافتراض إزالة الهواء منه). وفقًا لنظرية الحركة، فإن جزيئات الماء في حركة دائمة. وعند حركتها، تمتلك جزيئات الماء سرعة وطاقة حركية. تستطيع جزيئات الماء التي تمتلك سرعة وطاقة حركية كافيتين الإفلات من قوى التجاذب بينها والتحول إلى بخار. تحدث العملية نفسها لجزيئات الماء في الوعاء المجاور. ومع مرور الوقت، يتحول المزيد من جزيئات الماء إلى بخار. ولأن الوعاء مغلق، لا تستطيع جزيئات الماء المتحولة إلى بخار الخروج إلى الغلاف الجوي (فهي محصورة داخل الوعاء). عدد جزيئات الماء التي تتحول إلى بخار كبير بما يكفي ليُتيح إمكانية تصادمها مع جدران الوعاء.
بعض جزيئات الماء التي تصطدم بجدران الوعاء تنعكس عائدةً إلى سطح الماء وتتحد لتكوين الماء. تتكرر هذه العملية باستمرار. مع مرور الوقت، يتحول المزيد من جزيئات الماء إلى بخار (من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية). في الوقت نفسه، تعود بعض الجزيئات التي تصطدم بجدران الوعاء إلى الماء (من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة). إذا تساوى عدد الجزيئات المتحولة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية مع عدد الجزيئات المتحولة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة، فسيحدث التوازن. عند حدوث التوازن، يُقال إن الجزء العلوي من الوعاء الذي يحتوي على البخار مشبع. يُعرف ضغط البخار في منطقة التشبع بضغط البخار المشبع.
يُطلق على تحوّل الماء من الحالة السائلة إلى الحالة البخارية اسم التبخر. أما تحوّله من الحالة البخارية إلى الحالة السائلة فيُطلق عليه اسم التكثيف. تجدر الإشارة إلى أن ضغط البخار المشبع يعتمد فقط على درجة الحرارة وليس على الحجم. ومع ارتفاع درجة حرارة الماء، تزداد الطاقة الحركية لجزيئاته.
تزداد الطاقة الحركية لجزيئات الماء، مما يستلزم زيادة سرعتها. وبهذه الطريقة، يتحول المزيد من الجزيئات ذات السرعة العالية إلى بخار (أي تتغير حالتها من سائلة إلى بخار). ولأن حجم الوعاء ثابت، فإن ضغط البخار يعتمد فقط على عدد الجزيئات (N) وسرعتها (v).
كلما زاد عدد الجزيئات (N) التي تتحول إلى بخار، وزادت سرعة هذه الجزيئات (v)، ارتفع ضغط البخار. وبالتالي، يحدث التوازن عند ضغط بخار أعلى. وعليه، يرتفع ضغط البخار المشبع أيضًا. ولا يوجد ضغط بخار مشبع إلا عند الوصول إلى حالة التوازن. يوضح الشكل التالي تغير ضغط البخار المشبع للماء مع درجة الحرارة.
يعتمد ضغط البخار على الحجم، بينما لا يعتمد ضغط البخار المشبع عليه. فإذا زاد حجم الوعاء أو نقص، سيتحقق التوازن في النهاية. الرسم التوضيحي أعلاه هو مجرد دليل لفهم ضغط البخار المشبع في الغلاف الجوي. والفرق هو أننا في الرسم التوضيحي السابق افترضنا عدم وجود هواء في الجزء من الوعاء الذي لا يحتوي على ماء. لذلك، كان هذا الجزء من الوعاء يحتوي على بخار الماء فقط. في المقابل، سطح الأرض مليء بالهواء دائمًا. لا تؤدي التصادمات بين جزيئات البخار وجزيئات الغاز الأخرى إلا إلى إطالة الوقت اللازم للوصول إلى حالة التوازن. ومع ذلك، سيتحقق التوازن في النهاية عندما يتساوى عدد جزيئات الماء التي تتحول إلى بخار مع عدد جزيئات البخار التي تتحول إلى ماء.
