Kinetická teorie
Proces odpařování lze vysvětlit pomocí kinetické teorie. Stejně jako molekuly plynu se pohybují i molekuly vody. Rozdíl je v tom, že molekuly vody se nemohou oddělit, protože přitažlivé síly mezi nimi je stále dokáží držet pohromadě. Naproti tomu přitažlivé síly mezi molekulami plynu jsou velmi slabé, takže molekuly plynu se nemohou slepit pohromadě. Molekuly vody se při pohybu pohybují rychlostí. Některé molekuly vody mají vysoké rychlosti, zatímco jiné nízké. Rozložení rychlostí molekul vody se podobá Maxwellovu rozdělení.
K odpařování dochází, když je rychlost molekul vody dostatečně velká, takže přitažlivá síla mezi molekulami vody je nedokáže udržet pohromadě. Podobně jako u rakety letící do vesmíru je rychlost rakety dostatečně velká, takže zemská gravitační síla ji nedokáže zabránit v udržení na Zemi. Je třeba poznamenat, že pouze molekuly s velkou rychlostí se dokáží vymanit z přitažlivých sil mezi molekulami. Molekuly s malou rychlostí se stále spojují a tvoří vodu.
Molekuly vody mají hmotnost a rychlost, takže molekuly vody mají kinetickou energii (EK = 1/2 mv 2 ). Molekuly vody, které mají vysoké rychlosti, mají větší kinetickou energii než molekuly vody, které mají nízké rychlosti. Lze tedy říci, že molekuly vody, které mohou uniknout přitažlivým silám mezi molekulami (molekuly vody, které se přeměňují na páru), mají poměrně velkou kinetickou energii. Kinetická energie molekul vody se obvykle zvyšuje se zvyšující se teplotou vody. Pokud je teplota vody dostatečně vysoká, kinetická energie molekul vody se zvyšuje. Více vody se tedy přemění na páru. To je v souladu s výsledky výzkumu, které ukazují, že rychlost odpařování je obvykle vyšší při vysokých teplotách.
Když sušíme mokré prádlo na slunci, absorbuje teplo vyzařované sluncem. Dodatečná energie ze slunce způsobuje zvýšení kinetické energie molekul vody v prádle. Vzhledem k rostoucí kinetické energii se molekuly vody pohybují rychleji (rychlost molekul vody se zvyšuje). Jakmile jejich rychlost nebo kinetická energie dosáhne určité hodnoty, molekuly vody mohou uniknout přitažlivým silám mezi molekulami vody a přeměnit se na páru. Je důležité si uvědomit, že sušení mokrého prádla není ovlivněno pouze dodatečným teplem ze slunce. Mokré prádlo může také schnout díky dodatečnému teplu z teplého vzduchu kolem prádla (teplo se přenáší vedením ze vzduchu na mokré prádlo).
Za horkého dne se země nebo podlaha zahřívá rychleji. Země se zahřívá rychleji, protože její měrné teplo je poměrně velké. Země ohřívá vzduch nad sebou (v tomto případě dochází k přenosu tepla vedením). Horký vzduch se rozpíná (jeho hustota se snižuje) a pohybuje se vzhůru. Když prochází přes mokré oblečení, molekuly vzduchu se srážejí s molekulami vody v oblečení. Molekuly vody se pohybují rychleji. Protože se pohybují rychleji, kinetická energie molekul vody se zvyšuje. Rychle se pohybující molekuly vody se srážejí s jinými molekulami vody. Protože s nimi molekuly vzduchu neustále narážejí, molekuly vody se pohybují rychleji (jejich kinetická energie se zvyšuje).
Jakmile jejich rychlost nebo kinetická energie dosáhne určité hodnoty, rychle se pohybující molekuly vody se mohou vymanit z přitažlivosti mezi molekulami a přeměnit se na páru… Kinetická energie molekul vody nebo molekul vzduchu úzce souvisí s teplotou. Pokud je kinetická energie molekul vody velká, pak je zároveň teplota vody vysoká. Nebo naopak, když je teplota vody vysoká, kinetická energie molekul vody musí být velká. Kinetická energie také souvisí s rychlostí. Čím větší je kinetická energie molekul, tím větší je rychlost molekul. Nebo naopak, čím větší je rychlost molekul, tím větší je kinetická energie molekul.
A co horká voda? Horká voda má vysokou teplotu. Protože je teplota vody vysoká, molekuly vody ve vodě mají velkou průměrnou kinetickou energii. Protože průměrná kinetická energie molekul vody je velká, mnoho molekul vody má vysokou rychlost (mnoho molekul vody se pohybuje rychle). Molekuly vody, které mají vysokou rychlost, se mohou uvolnit z přitažlivých sil mezi molekulami a přeměnit se na páru. Pouze molekuly vody s vysokou rychlostí (molekuly vody s velkou kinetickou energií) unikají do páry, zatímco molekuly vody s nízkou rychlostí (molekuly vody s malou kinetickou energií) se na páru nemění. Když se tedy molekuly vody s vysokou rychlostí přemění na páru, průměrná kinetická energie molekul vody, které zůstávají pohromadě, se zmenší. Čím menší je průměrná kinetická energie, tím nižší je teplota vody (voda se ochlazuje). Na základě tohoto stručného popisu lze říci, že odpařování je proces ochlazování.
Proces ochlazování způsobený odpařováním je v každodenním životě běžným jevem. Když je vzduch poměrně horký, tělo absorbuje velké množství tepla. Aby si udrželo konstantní tělesnou teplotu, tělo obvykle uvolňuje teplo potem. Protože pot přijímá další teplo ze slunce a okolního vzduchu, zvyšuje se kinetická energie molekul potu. Vzhledem k tomu, že se zvyšuje kinetická energie molekul potu, zvyšuje se i rychlost molekul potu. Molekuly potu se mění v páru. Když se pot odpařuje, tělo se cítí chladné. Zde je další příklad... Obvykle se po sprše naše tělo cítí chladné. Je to proto, že se voda, která ulpívá na povrchu kůže, odpařuje.
Výše popsaný proces odpařování probíhá každý den. Mořská voda, jezerní voda a říční voda se také mohou odpařovat…
Tlak páry
Párou se zde myslí vodní pára. Pozorujte obrázek. Uzavřená nádoba naplněná vodou (předpokládejme, že vzduch v nádobě byl odstraněn). Podle kinetické teorie se molekuly vody neustále pohybují. Při pohybu mají molekuly vody rychlost a kinetickou energii. Molekuly vody, které mají dostatečnou rychlost a kinetickou energii, se mohou uvolnit z přitažlivých sil mezi molekulami vody a přeměnit se na páru... Stejný proces probíhá s molekulami vody v nádobě vedle ní. Postupem času se stále více molekul vody mění na páru. Protože je nádoba uzavřená, molekuly vody, které se přeměnily na páru, nemohou uniknout do atmosféry (molekuly jsou zachyceny v nádobě). Počet molekul vody, které se přemění na páru, je dostatečně velký, takže existuje možnost srážek mezi molekulami a stěnami nádoby.
Některé molekuly, které narazí na stěny nádoby, se odrazí zpět na hladinu vody a spojí se za vzniku vody. Tento proces se neustále opakuje. Postupem času se stále více molekul vody přemění na páru (z kapaliny na páru). Zároveň se některé molekuly, které narazí na stěny nádoby, přemění zpět na vodu (z páry na kapalinu). Pokud je počet molekul přecházejících z kapaliny na páru roven počtu molekul přecházejících z páry na kapalinu, pak dojde k rovnováze. Když dojde k rovnováze, říká se, že horní část nádoby obsahující páru je nasycená… Tlak páry v nasycené oblasti se nazývá tlak nasycených pár.
Přechod z kapaliny na páru se nazývá vypařování. Přechod z páry na kapalinu se nazývá kondenzace. Všimněte si, že tlak nasycené páry závisí pouze na teplotě, nikoli na objemu. S rostoucí teplotou vody se zvyšuje kinetická energie molekul vody.
Kinetická energie molekul vody se zvyšuje, takže se musí zvyšovat i jejich rychlost. Tímto způsobem se stále více molekul s vysokou rychlostí přemění na páru (změní skupenství z kapaliny na páru). Protože objem nádoby je pevný, tlak páry závisí pouze na počtu molekul (N) a rychlosti (v).
Čím více molekul (čím větší N) se přemění na páru a čím vyšší je rychlost těchto molekul (čím větší v), tím více se zvyšuje tlak páry. Rovnováha tedy nastane při vyšším tlaku páry. Proto se také zvýší tlak nasycené páry. Tlak nasycené páry existuje pouze tehdy, když je dosaženo rovnováhy. Následující obrázek ukazuje změnu tlaku nasycené páry vody s teplotou.
Tlak páry závisí na objemu, ale tlak nasycené páry ne. Pokud se objem nádoby zvětšuje nebo zmenšuje, nakonec bude dosaženo rovnováhy. Výše uvedený obrázek slouží pouze k pochopení tlaku nasycené páry, který se vyskytuje v atmosféře. Rozdíl je v tom, že v předchozím obrázku jsme předpokládali, že v části nádoby, která neobsahovala vodu, není žádný vzduch. Část nádoby, která neobsahovala vodu, proto byla obsazena pouze vodní párou. Naproti tomu zemský povrch je vždy naplněn vzduchem. Srážky mezi molekulami páry a jinými molekulami plynu pouze prodlužují dobu potřebnou k dosažení rovnováhy. Rovnováhy však bude nakonec dosaženo, když se počet molekul vody, které se přemění na páru, rovná počtu molekul páry, které se přemění na vodu.
