Der Verdunstungsprozess lässt sich mithilfe der kinetischen Gastheorie erklären. Wie Gasteilchen bewegen sich auch Wassermoleküle. Der Unterschied besteht darin, dass Wassermoleküle nicht verstreut werden können, da die Anziehungskräfte zwischen ihnen sie zusammenhalten. Im Gegensatz dazu sind die Anziehungskräfte zwischen Gasteilchen schwach, sodass diese nicht verschmelzen können. Wassermoleküle besitzen eine Geschwindigkeit. Es gibt Wassermoleküle mit hoher und solche mit niedriger Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeitsverteilung der Wassermoleküle ähnelt der Maxwell-Verteilung.
Verdunstung tritt ein, wenn die Geschwindigkeit der Wassermoleküle so groß ist, dass die Anziehungskräfte zwischen ihnen nicht mehr ausreichen, um sie zusammenzuhalten. Ähnlich wie bei Raketen, die ins Weltall fliegen, ist die Geschwindigkeit einer Rakete so hoch, dass die Erdanziehungskraft sie nicht mehr auf der Erde halten kann. Nur Moleküle mit hoher Geschwindigkeit können sich von den Anziehungskräften zwischen den Molekülen lösen. Moleküle mit geringer Geschwindigkeit bleiben wie Wassermoleküle zusammen.
Wassermoleküle besitzen Masse und Geschwindigkeit und somit kinetische Energie (EK = 1/2 m v²). Schnellere Wassermoleküle haben eine höhere kinetische Energie als langsamere. Daher besitzen Wassermoleküle, die sich von der Anziehungskraft zwischen den Molekülen lösen können (und somit verdampfen), beträchtliche kinetische Energie. Im Allgemeinen steigt die kinetische Energie von Wassermolekülen mit zunehmender Wassertemperatur. Bei ausreichend hoher Temperatur steigt die kinetische Energie der Wassermoleküle weiter an, wodurch mehr Wasser verdampft. Dies steht im Einklang mit Forschungsergebnissen, die zeigen, dass die Verdunstungsrate typischerweise bei hohen Temperaturen höher ist.
Wenn wir nasse Kleidung in der Sonne trocknen, absorbiert sie die von der Sonne abgegebene Wärme. Durch die zusätzliche Sonnenenergie erhöht sich die kinetische Energie der Wassermoleküle in der Kleidung. Dadurch bewegen sich die Wassermoleküle schneller. Sobald die Geschwindigkeit bzw. die kinetische Energie einen bestimmten Wert erreicht, lösen sich die Wassermoleküle von den Anziehungskräften untereinander und verdampfen. Wichtig ist, dass die Trocknung nasser Kleidung nicht nur von der Sonnenwärme abhängt. Auch die Wärme der umgebenden Luft trägt zur Trocknung bei (Wärme wird durch Wärmeleitung von der Luft auf die Kleidung übertragen).
An heißen Tagen erwärmt sich der Boden. Die darüber liegende Luft wird vom Boden erwärmt (Wärmeübertragung durch Wärmeleitung). Warme Luft dehnt sich aus (ihre Dichte nimmt ab) und steigt auf. Beim Durchströmen nasser Kleidung stoßen Wassermoleküle aneinander. Dadurch bewegen sie sich schneller und ihre kinetische Energie steigt. Schnell bewegte Wassermoleküle stoßen gegen andere Wassermoleküle. Durch den ständigen Stoß der Luftmoleküle beschleunigen sich die Wassermoleküle (ihre kinetische Energie nimmt zu). Sobald die Geschwindigkeit oder kinetische Energie einen bestimmten Wert erreicht, können die schnell bewegten Wassermoleküle die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen überwinden und verdampfen. Die kinetische Energie der Wassermoleküle 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 eines Moleküls ist, desto höher ist seine Geschwindigkeit. Oder umgekehrt: Je höher die Geschwindigkeit des Moleküls, desto höher ist auch seine kinetische Energie.
Und wie verhält es sich mit heißem Wasser? Heißes Wasser hat eine hohe Temperatur. Aufgrund dieser hohen Temperatur besitzen die Wassermoleküle eine relativ durchschnittliche kinetische Energie. Aufgrund dieser beträchtlichen durchschnittlichen kinetischen Energie bewegen sich viele Wassermoleküle mit hoher Geschwindigkeit. Durch diese hohe Geschwindigkeit können sie die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen überwinden und verdampfen. Wassermoleküle mit geringer Geschwindigkeit (also mit wenig kinetischer Energie) verdampfen nicht. Wenn sich die Wassermoleküle mit hoher Geschwindigkeit in Dampf verwandeln, sinkt ihre durchschnittliche kinetische Energie. Je geringer die durchschnittliche kinetische Energie, desto niedriger die Wassertemperatur. Aus dieser kurzen Beschreibung lässt sich schließen, dass Verdunstung ein Kühlprozess ist.
Die Kühlung durch Verdunstung ist ein alltäglicher Vorgang. Bei warmer Luft 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 bewegen sie sich schneller und verdampfen. Beim Verdunsten des Schweißes fühlt sich der Körper kühl an.
Normalerweise fühlt sich unser Körper nach dem Baden kühl an. Das liegt daran, dass das Wasser, das sich auf der Hautoberfläche befindet, verdunstet.
Der zuvor 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 (angenommen, die Luft im Behälter wurde entfernt). Laut der kinetischen Gastheorie sind Wassermoleküle ständig in Bewegung. Dabei besitzen sie eine Geschwindigkeit und Energie. Wassermoleküle mit hoher Geschwindigkeit und großer kinetischer Energie überwinden die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen und kondensieren zu Dampf.
Derselbe Prozess findet in Wassermolekülen in einem Behälter statt. Mit der Zeit verdampfen immer mehr Wassermoleküle. Da der Behälter geschlossen ist, können die verdampften Wassermoleküle nicht in die Atmosphäre entweichen (sie bleiben im Behälter eingeschlossen). Die Menge der verdampfenden Wassermoleküle ist beträchtlich, sodass es zu Kollisionen zwischen den Molekülen und den Behälterwänden kommen kann.
Einige Moleküle, die gegen die Wände des Behälters prallen, werden zur Wasseroberfläche reflektiert und verschmelzen mit dem Wasser. Dieser Vorgang wiederholt sich fortwährend. Mit der Zeit verdampfen immer mehr Wassermoleküle (Übergang von flüssig zu gasförmig). Gleichzeitig verdampfen einige der Moleküle, die gegen die Behälterwände prallen, wieder zu Wasser (Übergang von gasförmig zu flüssig). Wenn die Anzahl der Moleküle, die von flüssig zu gasförmig übergehen, der Anzahl der Moleküle entspricht, die von gasförmig zu flüssig übergehen, herrscht ein Gleichgewicht. In diesem Zustand ist die Oberfläche des Behälters, der das Gas enthält, gesättigt. Der Dampfdruck im gesättigten Bereich wird als Sättigungsdampfdruck bezeichnet.
Der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird als Verdunstung bezeichnet. Der Übergang vom Dampf in die Flüssigkeit heißt Kondensation. Der Sättigungsdampfdruck hängt ausschließlich von der Temperatur und nicht vom Volumen ab. Steigt die Wassertemperatur, erhöht sich die kinetische Energie der Wassermoleküle.
Die kinetische Energie der Wassermoleküle nimmt zu, wodurch sich deren Geschwindigkeit erhöht. Dadurch verdampfen immer mehr schnelle Moleküle (Übergang von flüssig zu gasförmig). Da das Volumen des Behälters konstant ist, hängt der Dampfdruck ausschließlich von der Anzahl der Moleküle (N) und ihrer Geschwindigkeit (v) ab.
Je mehr Moleküle in Dampf übergehen und je höher ihre Geschwindigkeit ist, desto höher ist auch der Dampfdruck. Das Gleichgewicht stellt sich also bei einem höheren Dampfdruck ein. Daher ist auch der Sättigungsdampfdruck höher. Ein Sättigungsdampfdruck liegt nur dann vor, wenn ein Gleichgewicht erreicht ist.
Der Dampfdruck ist volumenabhängig, der Sättigungsdampfdruck hingegen nicht. Ändert sich das Volumen eines Behälters, stellt sich ein Gleichgewicht ein. Die obige Abbildung soll lediglich den Sättigungsdampfdruck in der Atmosphäre veranschaulichen. Der Unterschied besteht darin, dass wir im vorherigen Beispiel davon ausgingen, dass sich im wasserfreien Teil des Behälters kein Wasser befindet. Dieser Teil des Behälters ist also ausschließlich mit Wasserdampf gefüllt. Die Erdoberfläche hingegen ist stets mit Luft gefüllt. Die Kollision von Dampfmolekülen mit anderen Gasmolekülen verzögert lediglich das Gleichgewicht. Ab einem bestimmten Punkt stellt sich jedoch ein Gleichgewicht ein, wenn die Anzahl der zu Dampf kondensierenden Wassermoleküle der Anzahl der zu Wasser kondensierenden Dampfmoleküle entspricht.
