Kinetische Theorie
Der Verdunstungsprozess lässt sich mithilfe der kinetischen Gastheorie erklären. Wie Gasteilchen bewegen sich auch Wassermoleküle. Der Unterschied besteht darin, dass sich Wassermoleküle nicht trennen können, da die Anziehungskräfte zwischen ihnen sie zusammenhalten. Im Gegensatz dazu sind die Anziehungskräfte zwischen Gasteilchen sehr schwach, sodass Gasteilchen nicht aneinanderhaften können. Wassermoleküle bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Einige Wassermoleküle sind sehr schnell, andere hingegen sehr langsam. Die Geschwindigkeitsverteilung der Wassermoleküle ähnelt der Maxwell-Verteilung.
Verdunstung tritt ein, wenn die Geschwindigkeit der Wassermoleküle so hoch ist, dass die Anziehungskräfte zwischen ihnen nicht mehr ausreichen, um sie zusammenzuhalten. Ähnlich wie bei einer Rakete im Weltraum ist die Geschwindigkeit der Rakete so hoch, dass die Erdanziehungskraft sie nicht mehr daran hindern kann, auf der Erde zu bleiben. Es ist wichtig zu verstehen, dass nur Moleküle mit hoher Geschwindigkeit den Anziehungskräften zwischen den Molekülen entkommen können. Moleküle mit geringer Geschwindigkeit verbinden sich dennoch zu Wasser.
Wassermoleküle besitzen Masse und Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeit und somit kinetische Energie (EK = 1/2 mv² ) . Wassermoleküle mit hoher Geschwindigkeit haben eine größere kinetische Energie als solche mit niedriger Geschwindigkeit. Daher besitzen Wassermoleküle, die den Anziehungskräften zwischen den Molekülen entkommen können (und somit verdampfen), eine besonders hohe kinetische Energie. Im Allgemeinen steigt die kinetische Energie der Wassermoleküle mit zunehmender Wassertemperatur. Bei ausreichend hoher Temperatur steigt die kinetische Energie der Wassermoleküle weiter an. Dadurch verdampft mehr Wasser. Dies deckt sich mit Forschungsergebnissen, die zeigen, dass die Verdunstungsrate bei hohen Temperaturen in der Regel höher ist.
Wenn wir nasse Kleidung in der Sonne trocknen, absorbiert sie die von der Sonne abgegebene Wärme. Die zusätzliche Sonnenenergie erhöht die kinetische Energie der Wassermoleküle in der Kleidung. Dadurch bewegen sich die Wassermoleküle schneller. Sobald ihre Geschwindigkeit bzw. kinetische Energie einen bestimmten Wert erreicht, können die Wassermoleküle die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen überwinden und verdampfen. Wichtig ist, dass die Trocknung nasser Kleidung nicht nur von der zusätzlichen Wärme der Sonne abhängt. Auch die Wärme der umgebenden Luft trägt zur Trocknung bei (Wärmeübertragung durch Wärmeleitung).
An einem heißen Tag erwärmt sich der Boden besonders schnell. Das liegt an seiner hohen spezifischen Wärmekapazität. Der Boden erwärmt die darüber liegende Luft (Wärmeübertragung erfolgt in diesem Fall durch Wärmeleitung). Die warme Luft dehnt sich aus (ihre Dichte nimmt ab) und steigt auf. Streift sie über feuchte Kleidung, stoßen die Luftmoleküle mit den Wassermolekülen in der Kleidung zusammen. Die Wassermoleküle bewegen sich dadurch schneller. Ihre kinetische Energie steigt. Durch die ständigen Kollisionen mit Luftmolekülen bewegen sich die Wassermoleküle noch schneller (ihre kinetische Energie nimmt weiter zu).
Sobald die Geschwindigkeit oder kinetische Energie der Wassermoleküle einen bestimmten Wert erreicht, können sich die schnell bewegenden Moleküle von der Anziehungskraft zwischen den Molekülen lösen und zu Dampf werden. Die kinetische Energie von Wasser- oder Luftmolekülen hängt eng mit der Temperatur zusammen. Je höher die kinetische Energie der Wassermoleküle ist, desto höher ist gleichzeitig die Wassertemperatur. Umgekehrt gilt: Je höher die Wassertemperatur, desto höher muss die kinetische Energie der Wassermoleküle sein. Die kinetische Energie hängt auch mit der Geschwindigkeit zusammen. Je höher die kinetische Energie der Moleküle ist, desto höher ist ihre Geschwindigkeit. Oder umgekehrt: Je höher die Geschwindigkeit der Moleküle ist, desto höher ist ihre kinetische Energie.
Und wie verhält es sich mit heißem Wasser? Heißes Wasser hat eine hohe Temperatur. Aufgrund der hohen Wassertemperatur besitzen die Wassermoleküle im Wasser eine hohe durchschnittliche kinetische Energie. Da die durchschnittliche kinetische Energie der Wassermoleküle hoch ist, bewegen sich viele Wassermoleküle schnell. Diese schnellen Wassermoleküle können sich von den Anziehungskräften zwischen den Molekülen lösen und verdampfen. Nur die schnellen Wassermoleküle (mit hoher kinetischer Energie) verdampfen, während die langsamen Wassermoleküle (mit geringer kinetischer Energie) nicht verdampfen. Wenn sich also die schnellen Wassermoleküle in Dampf verwandeln, verringert sich die durchschnittliche kinetische Energie der verbleibenden Wassermoleküle. Je geringer die durchschnittliche kinetische Energie, desto niedriger die Wassertemperatur (das Wasser wird kälter). Aus dieser kurzen Beschreibung lässt sich schließen, dass Verdunstung ein Kühlprozess ist.
Die Kühlung durch Verdunstung ist ein alltäglicher Vorgang. Bei hohen Temperaturen nimmt der Körper viel Wärme auf. Um die Körpertemperatur konstant zu halten, gibt er diese normalerweise über Schweiß ab. Da der Schweiß durch die Sonne und die Umgebungsluft zusätzliche Wärme aufnimmt, erhöht sich die kinetische Energie der Schweißmoleküle. Dadurch verdunsten sie und verdampfen. Verdunstet der Schweiß, fühlt sich der Körper kühl an. Ein weiteres Beispiel: Nach dem Duschen fühlt sich der Körper meist kühl an. Das liegt daran, dass das Wasser auf der Hautoberfläche verdunstet.
Der oben beschriebene Verdunstungsprozess findet täglich statt. Auch Meerwasser, Seewasser und Flusswasser können verdunsten…
Dampfdruck
Mit Dampf ist hier Wasserdampf gemeint. Betrachten Sie die Abbildung: Ein geschlossener Behälter ist mit Wasser gefüllt (die Luft im Behälter wurde entfernt). Laut kinetischer Gastheorie sind Wassermoleküle ständig in Bewegung. Dabei besitzen sie Geschwindigkeit und kinetische Energie. Wassermoleküle mit ausreichender Geschwindigkeit und kinetischer Energie können sich von den Anziehungskräften zwischen den Molekülen lösen und zu Dampf werden. Derselbe Prozess findet auch in dem benachbarten Behälter statt. Mit der Zeit werden immer mehr Wassermoleküle zu Dampf. Da der Behälter geschlossen ist, können die Wasserdampfmoleküle nicht in die Atmosphäre entweichen (sie sind im Behälter eingeschlossen). Die Anzahl der zu Dampf werdenden Wassermoleküle ist so groß, dass Kollisionen zwischen den Molekülen und den Behälterwänden möglich sind.
Einige der Wassermoleküle, die auf die Wände des Behälters treffen, werden zurück zur Wasseroberfläche reflektiert und verbinden sich dort zu Wasser. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich. Mit der Zeit verdampfen immer mehr Wassermoleküle (Übergang von flüssig zu gasförmig). Gleichzeitig verdampfen einige der Moleküle, die auf die Behälterwände treffen, wieder (Übergang von gasförmig zu flüssig). Wenn die Anzahl der Moleküle, die vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen, der Anzahl der Moleküle entspricht, die vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen, stellt sich ein Gleichgewicht ein. Im Gleichgewichtszustand ist die Oberfläche des Behälters, die den Dampf enthält, gesättigt. Der Dampfdruck im gesättigten Bereich wird als Sättigungsdampfdruck bezeichnet.
Der Übergang von flüssig zu gasförmig wird Verdunstung genannt. Der Übergang von gasförmig zu flüssig heißt Kondensation. Der Sättigungsdampfdruck hängt nur von der Temperatur, nicht aber vom Volumen ab. Mit steigender Wassertemperatur erhöht sich die kinetische Energie der Wassermoleküle.
Die kinetische Energie der Wassermoleküle nimmt zu, wodurch sich deren Geschwindigkeit erhöht. Dadurch verdampfen immer mehr Moleküle mit hoher Geschwindigkeit (sie ändern ihren Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig). Da das Volumen des Behälters konstant ist, hängt der Dampfdruck nur von der Anzahl der Moleküle (N) und ihrer Geschwindigkeit (v) ab.
Je mehr Moleküle (je größer N) in den gasförmigen Zustand übergehen und je höher die Geschwindigkeit dieser Moleküle (je größer v) ist, desto stärker steigt der Dampfdruck. Das Gleichgewicht stellt sich also bei einem höheren Dampfdruck ein. Folglich steigt auch der Sättigungsdampfdruck. Der Sättigungsdampfdruck existiert nur im Gleichgewichtszustand. Die folgende Abbildung zeigt die Änderung des Sättigungsdampfdrucks von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur.
Der Dampfdruck ist volumenabhängig, der Sättigungsdampfdruck jedoch nicht. Ändert sich das Volumen eines Behälters, stellt sich schließlich ein Gleichgewicht ein. Die obige Abbildung dient lediglich der Veranschaulichung des in der Atmosphäre auftretenden Sättigungsdampfdrucks. Der Unterschied besteht darin, dass in der vorherigen Abbildung angenommen wurde, dass sich im wasserfreien Teil des Behälters keine Luft befindet. Dieser Teil war daher ausschließlich mit Wasserdampf gefüllt. Im Gegensatz dazu ist die Erdoberfläche stets mit Luft gefüllt. Kollisionen zwischen Dampfmolekülen und anderen Gasmolekülen verzögern lediglich das Erreichen des Gleichgewichts. Das Gleichgewicht ist jedoch schließlich erreicht, wenn die Anzahl der zu Dampf kondensierenden Wassermoleküle der Anzahl der zu Wasser kondensierenden Dampfmoleküle entspricht.
