Кинетична теория
Процесът на изпаряване може да се обясни с помощта на кинетичната теория. Подобно на газовите молекули, водните молекули също се движат. Разликата е, че водните молекули не могат да се разделят, защото силите на привличане между тях все още са в състояние да ги държат заедно. За разлика от това, силите на привличане между газовите молекули са много слаби, така че газовите молекули не могат да се слепят. Когато се движат, водните молекули имат скорост. Някои водни молекули имат високи скорости, докато други имат ниски скорости. Разпределението на скоростите на водните молекули наподобява разпределението на Максуел.
Изпарението се случва, когато скоростта на водните молекули е достатъчно голяма, така че силата на привличане между тях не е в състояние да ги задържи заедно. Подобно на ракета, движеща се в космоса, скоростта на ракетата е достатъчно голяма, така че гравитационната сила на Земята не е в състояние да я спре да остане на Земята. Трябва да се отбележи, че само молекули с големи скорости са способни да се измъкнат от силите на привличане между молекулите. Молекулите с малки скорости все пак се комбинират, за да образуват вода.
Водните молекули имат маса и скорост, така че водните молекули имат кинетична енергия (EK = 1/2 mv 2 ). Водните молекули, които имат високи скорости, имат по-голяма кинетична енергия от водните молекули, които имат ниски скорости. По този начин може да се каже, че водните молекули, които могат да избегнат силите на привличане между молекулите (водни молекули, които се превръщат в пара), имат доста голяма кинетична енергия. Обикновено кинетичната енергия на водните молекули се увеличава с повишаване на температурата на водата. Ако температурата на водата е достатъчно висока, кинетичната енергия на водните молекули се увеличава. По този начин, повече вода ще се превърне в пара. Това е в съответствие с резултатите от изследванията, които показват, че скоростта на изпарение обикновено е по-голяма при високи температури.
Когато сушим мокри дрехи на слънце, те абсорбират топлината, излъчвана от слънцето. Допълнителната енергия от слънцето води до увеличаване на кинетичната енергия на водните молекули в дрехите. Тъй като кинетичната енергия се увеличава, водните молекули се движат по-бързо (скоростта на водните молекули се увеличава). След като скоростта или кинетичната им енергия достигнат определена стойност, водните молекули могат да се измъкнат от силите на привличане между водните молекули и след това да се превърнат в пара. Важно е да се отбележи, че сушенето на мокрите дрехи не се влияе само от допълнителната топлина от слънцето. Мокрите дрехи могат да изсъхнат и поради допълнителната топлина от топлия въздух около дрехите (топлинният пренос се осъществява чрез проводимост от въздуха към мокрите дрехи).
В горещ ден земята или подът се нагряват по-бързо. Земята се нагрява бързо, защото специфичната ѝ топлина е доста голяма. Земята нагрява въздуха над нея (в този случай топлопреносът се осъществява чрез проводимост). Горещият въздух се разширява (плътността му намалява) и се движи нагоре. Когато преминава над мокри дрехи, молекулите на въздуха се сблъскват с молекулите на водата в дрехите. Молекулите на водата се движат по-бързо. Тъй като се движат по-бързо, кинетичната енергия на молекулите на водата се увеличава. Бързо движещите се молекули на водата се сблъскват с други молекули на водата. Тъй като непрекъснато се сблъскват с молекули на въздуха, молекулите на водата се движат по-бързо (кинетичната им енергия се увеличава).
След като скоростта или кинетичната им енергия достигнат определена стойност, бързо движещите се водни молекули могат да се освободят от привличането между молекулите и да се превърнат в пара... Кинетичната енергия на водните молекули или молекулите на въздуха е тясно свързана с температурата. Ако кинетичната енергия на водните молекули е голяма, тогава едновременно с това температурата на водата е висока. Или обратното, когато температурата на водата е висока, кинетичната енергия на водните молекули трябва да е голяма. Кинетичната енергия също е свързана със скоростта. Колкото по-голяма е кинетичната енергия на молекулите, толкова по-голяма е скоростта на молекулите. Или обратното, колкото по-голяма е скоростта на молекулите, толкова по-голяма е кинетичната енергия на молекулите.
Ами горещата вода? Горещата вода има висока температура. Тъй като температурата на водата е висока, водните молекули във водата имат голяма средна кинетична енергия. Тъй като средната кинетична енергия на водните молекули е голяма, много водни молекули имат високи скорости (много водни молекули се движат бързо). Водните молекули, които имат висока скорост, могат да се измъкнат от силите на привличане между молекулите и да се превърнат в пара. Само водни молекули с висока скорост (водни молекули с голяма кинетична енергия) се измъкват в пара, докато водни молекули с ниска скорост (водни молекули с малка кинетична енергия) не се превръщат в пара. По този начин, когато водните молекули с висока скорост се превърнат в пара, средната кинетична енергия на водните молекули, които остават заедно, става по-малка. Колкото по-малка е средната кинетична енергия, толкова по-ниска е температурата на водата (водата става по-студена). Въз основа на това кратко описание може да се каже, че изпарението е процес на охлаждане.
Процесът на охлаждане, причинен от изпаряване, е често срещано явление в ежедневието. Когато въздухът е доста горещ, тялото абсорбира много топлина. За да поддържа постоянна телесна температура, тялото обикновено отделя топлина чрез пот. Тъй като потта получава допълнителна топлина от слънцето и околния въздух, кинетичната енергия на молекулите на потта се увеличава. Тъй като кинетичната енергия на молекулите на потта се увеличава, скоростта на молекулите на потта се увеличава. Молекулите на потта се превръщат в пара. Когато потта се изпарява, тялото се чувства хладно. Ето още един пример... Обикновено след душ тялото ни се чувства хладно. Това е така, защото водата, която полепва по повърхността на кожата, се изпарява.
Процесът на изпаряване, описан по-горе, се случва всеки ден. Морската вода, езерната вода и речната вода също могат да се изпаряват…
Парно налягане
Под пара тук се има предвид водна пара. Разгледайте картинката. Затворен съд, пълен с вода (да приемем, че въздухът в съда е отстранен). Според кинетичната теория, водните молекули винаги се движат. Когато се движат, водните молекули имат скорост и кинетична енергия. Водните молекули, които имат достатъчна скорост и кинетична енергия, могат да се измъкнат от силите на привличане между водните молекули и да се превърнат в пара... Същият процес протича и с водните молекули в съседния съд. С течение на времето все повече и повече водни молекули се превръщат в пара. Тъй като съдът е затворен, водните молекули, които са се превърнали в пара, не могат да излязат в атмосферата (молекулите са задържани в съда). Броят на водните молекули, които се превръщат в пара, е достатъчно голям, така че има възможност за сблъсъци между молекулите и стените на съда.
Някои от молекулите, които се удряха в стените на съда, ще се отразят обратно към повърхността на водата и ще се комбинират, за да образуват вода. Този процес се повтаря непрекъснато. С течение на времето все повече и повече водни молекули ще се превърнат в пара (преминават от течност в пара). В същото време някои от молекулите, които се удряха в стените на съда, ще се превърнат обратно във вода (преминават от пара в течност). Ако броят на молекулите, преминаващи от течност в пара, е равен на броя на молекулите, преминаващи от пара в течност, тогава ще се постигне равновесие. Когато се постигне равновесие, горната част на съда, съдържащ пара, се нарича наситена... Налягането на парите в наситената област е известно като налягане на наситените пари.
Преходът от течност в пара се нарича изпарение. Преходът от пара в течност се нарича кондензация. Обърнете внимание, че налягането на наситените пари зависи само от температурата, а не от обема. С повишаване на температурата на водата кинетичната енергия на водните молекули се увеличава.
Кинетичната енергия на водните молекули се увеличава, така че скоростта на водните молекули трябва да се увеличи. По този начин все повече и повече молекули с висока скорост ще се превърнат в пара (променят състоянието си от течност в пара). Тъй като обемът на съда е фиксиран, налягането на парите зависи само от броя на молекулите (N) и скоростта (v).
Колкото повече молекули (колкото по-голямо е N) се превръщат в пара и колкото по-висока е скоростта на тези молекули (колкото по-голямо е v), толкова повече се увеличава налягането на парите. По този начин, равновесие ще се постигне при по-високо налягане на парите. Следователно, налягането на наситените пари също ще се увеличи. Налягане на наситените пари съществува само когато е достигнато равновесие. Следното показва промяната в налягането на наситените пари на водата с температурата.
Налягането на парите зависи от обема, но налягането на наситените пари не. Ако обемът на контейнера се увеличи или намали, в крайна сметка ще се достигне равновесие. Илюстрацията по-горе е просто, за да ви помогне да разберете налягането на наситените пари, което се среща в атмосферата. Разликата е, че в предишната илюстрация предположихме, че няма въздух в частта от контейнера, която не съдържа вода. Следователно, частта от контейнера, която не съдържа вода, е заета само от водна пара. За разлика от това, земната повърхност винаги е запълнена с въздух. Сблъсъците между молекулите на парите и други газови молекули само удължават времето, необходимо за достигане на равновесие. Равновесието обаче в крайна сметка ще бъде достигнато, когато броят на водните молекули, които се превръщат в пара, е равен на броя на молекулите на парите, които се превръщат във вода.
