Teoria cinètica
El procés d'evaporació es pot explicar mitjançant la teoria cinètica. Igual que les molècules de gas, les molècules d'aigua també es mouen. La diferència és que les molècules d'aigua no es poden separar perquè les forces atractives entre elles encara són capaces de mantenir-les unides. En canvi, les forces atractives entre les molècules de gas són molt febles, de manera que les molècules de gas no es poden enganxar. Quan es mouen, les molècules d'aigua tenen velocitat. Algunes molècules d'aigua tenen velocitats altes, mentre que d'altres tenen velocitats baixes. La distribució de les velocitats de les molècules d'aigua s'assembla a la distribució de Maxwell.
L'evaporació es produeix quan la velocitat de les molècules d'aigua és prou gran com perquè la força atractiva entre les molècules d'aigua no pugui mantenir-les unides. De manera similar a un coet que es mou a l'espai, la velocitat del coet és prou gran com perquè la força gravitatòria de la Terra no pugui impedir que es quedi a la Terra. Cal tenir en compte que només les molècules que tenen velocitats elevades poden escapar de les forces atractives entre les molècules. Les molècules amb velocitats baixes encara es combinen per formar aigua.
Les molècules d'aigua tenen massa i velocitat, de manera que les molècules d'aigua tenen energia cinètica (EK = 1/2 mv 2 ). Les molècules d'aigua que tenen velocitats elevades tenen una energia cinètica més gran que les molècules d'aigua que tenen velocitats baixes. Per tant, es pot dir que les molècules d'aigua que poden escapar de les forces atractives entre les molècules (molècules d'aigua que es converteixen en vapor) tenen una energia cinètica força gran. Normalment, l'energia cinètica de les molècules d'aigua augmenta a mesura que augmenta la temperatura de l'aigua. Si la temperatura de l'aigua és prou alta, l'energia cinètica de les molècules d'aigua augmenta. Per tant, més aigua es convertirà en vapor. Això està d'acord amb els resultats de la investigació que mostren que la taxa d'evaporació sol ser més gran a altes temperatures.
Quan assequem la roba mullada al sol, la roba mullada absorbeix la calor emesa pel sol. L'energia addicional del sol fa que l'energia cinètica de les molècules d'aigua de la roba augmenti. Com que l'energia cinètica augmenta, les molècules d'aigua es mouen més ràpid (la velocitat de les molècules d'aigua augmenta). Un cop la seva velocitat o energia cinètica arriba a un cert valor, les molècules d'aigua poden escapar de les forces atractives entre les molècules d'aigua i convertir-se en vapor. És important tenir en compte que l'assecat de la roba mullada no només es veu influenciat per la calor addicional del sol. La roba mullada també es pot assecar a causa de la calor addicional de l'aire calent que l'envolta (transferències de calor per conducció de l'aire a la roba mullada).
En un dia calorós, el terra o el terra s'escalfa més ràpidament. El terra s'escalfa ràpidament perquè la seva calor específica és força gran. El terra escalfa l'aire que hi ha a sobre (en aquest cas, la transferència de calor es produeix per conducció). L'aire calent s'expandeix (la seva densitat disminueix) i es mou cap amunt. Quan passa per sobre de la roba mullada, les molècules d'aire xoquen amb les molècules d'aigua de la roba. Les molècules d'aigua es mouen més ràpid. Com que es mouen més ràpid, l'energia cinètica de les molècules d'aigua augmenta. Les molècules d'aigua que es mouen ràpidament xoquen amb altres molècules d'aigua. Com que les molècules d'aire xoquen contínuament amb elles, les molècules d'aigua es mouen més ràpid (la seva energia cinètica augmenta).
Un cop la seva velocitat o energia cinètica arriba a un cert valor, les molècules d'aigua que es mouen ràpidament poden escapar de l'atracció entre les molècules i convertir-se en vapor... L'energia cinètica de les molècules d'aigua o d'aire està estretament relacionada amb la temperatura. Si l'energia cinètica de les molècules d'aigua és gran, aleshores al mateix temps la temperatura de l'aigua és alta. O viceversa, quan la temperatura de l'aigua és alta, l'energia cinètica de les molècules d'aigua ha de ser gran. L'energia cinètica també està relacionada amb la velocitat. Com més gran sigui l'energia cinètica de les molècules, més gran serà la velocitat de les molècules. O a l'inrevés, com més gran sigui la velocitat de les molècules, més gran serà l'energia cinètica de les molècules.
I què passa amb l'aigua calenta? L'aigua calenta té una temperatura alta. Com que la temperatura de l'aigua és alta, les molècules d'aigua de l'aigua tenen una energia cinètica mitjana gran. Com que l'energia cinètica mitjana de les molècules d'aigua és gran, moltes molècules d'aigua tenen velocitats elevades (moltes molècules d'aigua es mouen ràpidament). Les molècules d'aigua que tenen una velocitat elevada poden escapar de les forces atractives entre les molècules i convertir-se en vapor. Només les molècules d'aigua amb alta velocitat (molècules d'aigua amb gran energia cinètica) escapen al vapor, mentre que les molècules d'aigua amb baixa velocitat (molècules d'aigua amb petita energia cinètica) no es converteixen en vapor. Així, quan les molècules d'aigua amb alta velocitat es transformen en vapor, l'energia cinètica mitjana de les molècules d'aigua que romanen juntes es fa més petita. Com més petita sigui l'energia cinètica mitjana, més baixa serà la temperatura de l'aigua (l'aigua es refredarà). Basant-nos en aquesta breu descripció, es pot dir que l'evaporació és un procés de refredament.
El procés de refredament causat per l'evaporació és un fet comú en la vida quotidiana. Quan l'aire és força calent, el cos absorbeix molta calor. Per mantenir una temperatura corporal constant, el cos normalment allibera calor a través de la suor. Com que la suor rep calor addicional del sol i de l'aire circumdant, l'energia cinètica de les molècules de suor augmenta. Com que l'energia cinètica de les molècules de suor augmenta, la velocitat de les molècules de suor augmenta. Les molècules de suor es converteixen en vapor. Quan la suor s'evapora, el cos se sent fresc. Aquí teniu un altre exemple... Normalment, després d'una dutxa, el nostre cos se sent fresc. Això és degut a que l'aigua que s'adhereix a la superfície de la pell s'evapora.
El procés d'evaporació descrit anteriorment es produeix cada dia. L'aigua de mar, l'aigua dels llacs i l'aigua dels rius també es poden evaporar...
Pressió de vapor
El que aquí entenem per vapor és vapor d'aigua. Observeu la imatge. Un recipient tancat ple d'aigua (suposem que s'ha eliminat l'aire del recipient). Segons la teoria cinètica, les molècules d'aigua sempre es mouen. Quan es mouen, les molècules d'aigua tenen velocitat i energia cinètica. Les molècules d'aigua que tenen una velocitat i una energia cinètica suficients poden escapar de les forces atractives entre les molècules d'aigua i convertir-se en vapor... El mateix procés passa amb les molècules d'aigua del recipient del costat. A mesura que passa el temps, cada cop més molècules d'aigua es converteixen en vapor. Com que el recipient està tancat, les molècules d'aigua que s'han convertit en vapor no poden escapar a l'atmosfera (les molècules queden atrapades al recipient). El nombre de molècules d'aigua que es converteixen en vapor és prou gran perquè hi hagi la possibilitat de col·lisions entre les molècules i les parets del recipient.
Algunes de les molècules que xoquen contra les parets del recipient es reflectiran a la superfície de l'aigua i es combinaran per formar aigua. Aquest procés es repeteix contínuament. A mesura que passa el temps, més i més molècules d'aigua es convertiran en vapor (canviaran de líquid a vapor). Al mateix temps, algunes de les molècules que xoquen contra les parets del recipient es convertiran de nou en aigua (canviaran de vapor a líquid). Si el nombre de molècules que canvien de líquid a vapor és igual al nombre de molècules que canvien de vapor a líquid, aleshores es produirà l'equilibri. Quan es produeix l'equilibri, es diu que la part superior del recipient que conté vapor està saturada... La pressió de vapor a la regió saturada es coneix com a pressió de vapor saturada.
El canvi de líquid a vapor s'anomena evaporació. El canvi de vapor a líquid s'anomena condensació. Cal tenir en compte que la pressió de vapor saturat només depèn de la temperatura i no del volum. A mesura que augmenta la temperatura de l'aigua, augmenta l'energia cinètica de les molècules d'aigua.
L'energia cinètica de les molècules d'aigua augmenta, de manera que la velocitat de les molècules d'aigua ha d'augmentar. D'aquesta manera, cada cop més molècules amb alta velocitat es convertiran en vapor (canviaran d'estat de líquid a vapor). Com que el volum del recipient és fix, la pressió de vapor només depèn del nombre de molècules (N) i de la velocitat (v).
Com més molècules (com més gran és la N) es converteixin en vapor i com més alta sigui la velocitat d'aquestes molècules (com més gran és la v), més augmentarà la pressió de vapor. Per tant, l'equilibri es produirà a una pressió de vapor més alta. Per tant, la pressió de vapor saturat també augmentarà. La pressió de vapor saturat només existeix quan s'assoleix l'equilibri. A continuació es mostra el canvi en la pressió de vapor saturat de l'aigua amb la temperatura.
La pressió de vapor depèn del volum, però la pressió de vapor saturat no. Si el volum d'un recipient augmenta o disminueix, finalment s'assolirà l'equilibri. La il·lustració anterior és simplement per guiar-vos a comprendre la pressió de vapor saturat que es produeix a l'atmosfera. La diferència és que, a la il·lustració anterior, assumíem que no hi havia aire a la part del recipient que no contenia aigua. Per tant, la part del recipient que no contenia aigua estava ocupada només per vapor d'aigua. En canvi, la superfície de la Terra sempre està plena d'aire. Les col·lisions entre les molècules de vapor i altres molècules de gas només allarguen el temps que triga l'equilibri a assolir l'equilibri. Tanmateix, l'equilibri finalment s'assolirà quan el nombre de molècules d'aigua que es converteixen en vapor sigui igual al nombre de molècules de vapor que es converteixen en aigua.
