Kinetička teorija
Proces isparavanja može se objasniti kinetičkom teorijom. Poput molekula gasa, i molekule vode se kreću. Razlika je u tome što se molekule vode ne mogu razdvojiti jer ih privlačne sile između njih i dalje drže zajedno. Nasuprot tome, privlačne sile između molekula gasa su vrlo slabe, tako da se molekule gasa ne mogu držati zajedno. Prilikom kretanja, molekule vode imaju brzinu. Neke molekule vode imaju velike brzine, dok druge imaju male brzine. Raspodjela brzina molekula vode podsjeća na Maxwellovu raspodjelu.
Isparavanje se dešava kada je brzina molekula vode dovoljno velika da privlačna sila između molekula vode ne može da ih drži zajedno. Slično raketi koja se kreće u svemir, brzina rakete je dovoljno velika da Zemljina gravitaciona sila ne može da je spriječi da ostane na Zemlji. Treba napomenuti da samo molekuli koji imaju velike brzine mogu da se oslobode privlačnih sila između molekula. Molekuli sa malim brzinama se i dalje spajaju i formiraju vodu.
Molekule vode imaju masu i brzinu tako da molekule vode imaju kinetičku energiju (EK = 1/2 mv2). Molekule vode s velikim brzinama imaju veću kinetičku energiju od molekula vode s malim brzinama. Stoga se može reći da molekule vode koje mogu izbjeći privlačne sile između molekula (molekule vode koje se pretvaraju u paru) imaju prilično veliku kinetičku energiju. Obično se kinetička energija molekula vode povećava s porastom temperature vode. Ako je temperatura vode dovoljno visoka, kinetička energija molekula vode se povećava. Stoga će se više vode pretvoriti u paru. To je u skladu s rezultatima istraživanja koji pokazuju da je brzina isparavanja obično veća na visokim temperaturama.
Kada sušimo mokru odjeću na suncu, ona apsorbira toplinu koju sunce emitira. Dodatna energija sunca uzrokuje povećanje kinetičke energije molekula vode u odjeći. Zbog povećanja kinetične energije, molekule vode se kreću brže (brzina molekula vode se povećava). Kada njihova brzina ili kinetička energija dostigne određenu vrijednost, molekule vode mogu pobjeći od privlačnih sila između molekula vode, a zatim se pretvoriti u paru. Važno je napomenuti da na sušenje mokre odjeće ne utječe samo dodatna toplina sunca. Mokra odjeća se može sušiti i zbog dodatne topline toplog zraka oko odjeće (toplota se prenosi provođenjem sa zraka na mokru odjeću).
Tokom vrućeg dana, tlo ili pod se brže zagrijavaju. Tlo se brzo zagrijava jer je njegova specifična toplina prilično velika. Tlo zagrijava zrak iznad sebe (u ovom slučaju, prijenos topline se događa kondukcijom). Vrući zrak se širi (njegova gustoća se smanjuje) i kreće se prema gore. Kada prelazi preko mokre odjeće, molekule zraka sudaraju se s molekulama vode u odjeći. Molekule vode se kreću brže. Budući da se kreću brže, kinetička energija molekula vode se povećava. Brzo se krećuće molekule vode sudaraju s drugim molekulama vode. Budući da se kontinuirano sudaraju s molekulama zraka, molekule vode se kreću brže (njihova kinetička energija se povećava).
Kada njihova brzina ili kinetička energija dostigne određenu vrijednost, brzo se krećući molekuli vode mogu izbjeći privlačnost među molekulama i pretvoriti se u paru... Kinetička energija molekula vode ili molekula zraka usko je povezana s temperaturom. Ako je kinetička energija molekula vode velika, tada je istovremeno i temperatura vode visoka. Ili obrnuto, kada je temperatura vode visoka, kinetička energija molekula vode mora biti velika. Kinetička energija je također povezana s brzinom. Što je veća kinetička energija molekula, veća je i brzina molekula. Ili obrnuto, što je veća brzina molekula, veća je i kinetička energija molekula.
Šta je s toplom vodom? Vruća voda ima visoku temperaturu. Budući da je temperatura vode visoka, molekule vode u vodi imaju veliku prosječnu kinetičku energiju. Budući da je prosječna kinetička energija molekula vode velika, mnoge molekule vode imaju velike brzine (mnoge molekule vode se brzo kreću). Molekule vode koje imaju veliku brzinu mogu se osloboditi privlačnih sila između molekula i pretvoriti se u paru. Samo molekule vode s velikom brzinom (molekule vode s velikom kinetičkom energijom) izlaze u paru, dok se molekule vode s malom brzinom (molekule vode s malom kinetičkom energijom) ne pretvaraju u paru. Dakle, kada se molekule vode s velikom brzinom pretvore u paru, prosječna kinetička energija molekula vode koje ostaju zajedno postaje manja. Što je manja prosječna kinetička energija, to je niža temperatura vode (voda postaje hladnija). Na osnovu ovog kratkog opisa, može se reći da je isparavanje proces hlađenja.
Proces hlađenja uzrokovan isparavanjem je uobičajena pojava u svakodnevnom životu. Kada je zrak prilično vruć, tijelo apsorbira mnogo topline. Da bi održalo konstantnu tjelesnu temperaturu, tijelo obično oslobađa toplinu putem znoja. Budući da znoj prima dodatnu toplinu od sunca i okolnog zraka, kinetička energija molekula znoja se povećava. Kako se kinetička energija molekula znoja povećava, povećava se i brzina molekula znoja. Molekule znoja se pretvaraju u paru. Kada znoj ispari, tijelo se osjeća hladno. Evo još jednog primjera... Obično se nakon tuširanja naše tijelo osjeća hladno. To je zato što voda koja se lijepi za površinu kože isparava.
Proces isparavanja opisan gore odvija se svaki dan. Morska voda, jezerska voda i riječna voda također mogu isparavati…
Pritisak pare
Ovdje se pod parom misli na vodenu paru. Posmatrajte sliku. Zatvorena posuda napunjena vodom (pretpostavimo da je zrak iz posude uklonjen). Prema kinetičkoj teoriji, molekule vode se uvijek kreću. Pri kretanju, molekule vode imaju brzinu i kinetičku energiju. Molekule vode koje imaju dovoljnu brzinu i kinetičku energiju mogu se osloboditi privlačnih sila između molekula vode i pretvoriti se u paru... Isti proces se dešava i s molekulama vode u posudi pored nje. Kako vrijeme prolazi, sve više molekula vode se pretvara u paru. Budući da je posuda zatvorena, molekule vode koje su se pretvorile u paru ne mogu pobjeći u atmosferu (molekule su zarobljene u posudi). Broj molekula vode koje se pretvaraju u paru je dovoljno velik da postoji mogućnost sudara između molekula i zidova posude.
Neki od molekula koji udare u zidove posude će se reflektovati nazad na površinu vode i kombinovati se da bi formirali vodu. Ovaj proces se kontinuirano ponavlja. Vremenom će se sve više molekula vode pretvarati u paru (prelaziti iz tečnog u parno stanje). Istovremeno, neki od molekula koji udare u zidove posude će se pretvoriti nazad u vodu (prelaziti iz pare u tečno stanje). Ako je broj molekula koji prelaze iz tečnog u parno stanje jednak broju molekula koji prelaze iz pare u tečno stanje, tada će se uspostaviti ravnoteža. Kada se uspostavi ravnoteža, kaže se da je vrh posude koja sadrži paru zasićen... Napon pare u zasićenom području poznat je kao zasićeni pritisak pare.
Promjena iz tekućine u paru naziva se isparavanje. Promjena iz pare u tekućinu naziva se kondenzacija. Treba napomenuti da zasićeni tlak pare ovisi samo o temperaturi, a ne o volumenu. Kako se temperatura vode povećava, kinetička energija molekula vode se povećava.
Kinetička energija molekula vode se povećava tako da se brzina molekula vode mora povećati. Na taj način, sve više i više molekula s velikom brzinom će se pretvoriti u paru (mijenjati stanje iz tekućine u paru). Budući da je volumen posude fiksan, tlak pare ovisi samo o broju molekula (N) i brzini (v).
Što se više molekula (veći N) pretvara u paru i što je veća brzina tih molekula (veći v), to se više povećava pritisak pare. Stoga će se ravnoteža postići pri višem naponu pare. Stoga će se i zasićeni pritisak pare povećati. Zasićeni pritisak pare postoji samo kada se postigne ravnoteža. Slijedeća slika prikazuje promjenu zasićenog pritiska pare vode s temperaturom.
Napon pare zavisi od zapremine, ali zasićeni pritisak pare ne. Ako se zapremina posude povećava ili smanjuje, ravnoteža će se na kraju postići. Gornja ilustracija služi samo da vas vodi ka razumijevanju zasićenog pritiska pare koji se javlja u atmosferi. Razlika je u tome što smo na prethodnoj ilustraciji pretpostavili da nema zraka u dijelu posude koji nije sadržavao vodu. Stoga je dio posude koji nije sadržavao vodu bio zauzet samo vodenom parom. Nasuprot tome, Zemljina površina je uvijek ispunjena zrakom. Sudari između molekula pare i drugih molekula plina samo produžavaju vrijeme potrebno da ravnoteža dostigne ravnotežu. Međutim, ravnoteža će se na kraju postići kada broj molekula vode koje se pretvaraju u paru bude jednak broju molekula pare koje se pretvaraju u vodu.
