Κινητική Θεωρία
Η διαδικασία εξάτμισης μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας την κινητική θεωρία. Όπως τα μόρια αερίου, έτσι και τα μόρια του νερού κινούνται. Η διαφορά είναι ότι τα μόρια του νερού δεν μπορούν να διαχωριστούν επειδή οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ τους εξακολουθούν να είναι σε θέση να τα συγκρατήσουν. Αντίθετα, οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων αερίου είναι πολύ ασθενείς, επομένως τα μόρια αερίου δεν μπορούν να κολλήσουν μεταξύ τους. Όταν κινούνται, τα μόρια του νερού έχουν ταχύτητα. Ορισμένα μόρια νερού έχουν υψηλές ταχύτητες, ενώ άλλα έχουν χαμηλές ταχύτητες. Η κατανομή των ταχυτήτων των μορίων του νερού μοιάζει με την κατανομή Maxwell.
Η εξάτμιση συμβαίνει όταν η ταχύτητα των μορίων του νερού είναι αρκετά μεγάλη, έτσι ώστε η ελκτική δύναμη μεταξύ των μορίων του νερού να μην μπορεί να τα συγκρατήσει. Όπως και με έναν πύραυλο που κινείται στο διάστημα, η ταχύτητα του πυραύλου είναι αρκετά μεγάλη ώστε η βαρυτική δύναμη της Γης να μην μπορεί να τον εμποδίσει να παραμείνει στη Γη. Πρέπει να σημειωθεί ότι μόνο τα μόρια που έχουν μεγάλες ταχύτητες είναι σε θέση να ξεφύγουν από τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων. Μόρια με μικρές ταχύτητες συνδυάζονται για να σχηματίσουν νερό.
Τα μόρια του νερού έχουν μάζα και ταχύτητα ή επιτάχυνση, έτσι ώστε τα μόρια του νερού να έχουν κινητική ενέργεια (EK = 1/2 mv 2 ). Τα μόρια του νερού που έχουν υψηλές ταχύτητες έχουν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια από τα μόρια του νερού που έχουν χαμηλές ταχύτητες. Έτσι, μπορεί να ειπωθεί ότι τα μόρια του νερού που μπορούν να ξεφύγουν από τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων (μόρια νερού που μετατρέπονται σε ατμό) έχουν αρκετά μεγάλη κινητική ενέργεια. Συνήθως η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του νερού. Εάν η θερμοκρασία του νερού είναι αρκετά υψηλή, αυξάνεται και η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού. Έτσι, περισσότερο νερό θα μετατραπεί σε ατμό. Αυτό συμφωνεί με ερευνητικά αποτελέσματα που δείχνουν ότι ο ρυθμός εξάτμισης είναι συνήθως μεγαλύτερος σε υψηλές θερμοκρασίες.
Όταν στεγνώνουμε βρεγμένα ρούχα στον ήλιο, τα βρεγμένα ρούχα απορροφούν τη θερμότητα που εκπέμπει ο ήλιος. Η πρόσθετη ενέργεια από τον ήλιο προκαλεί αύξηση της κινητικής ενέργειας των μορίων του νερού στα ρούχα. Επειδή η κινητική ενέργεια αυξάνεται, τα μόρια του νερού κινούνται πιο γρήγορα (η ταχύτητα των μορίων του νερού αυξάνεται). Μόλις η ταχύτητά τους ή η κινητική τους ενέργεια φτάσει σε μια ορισμένη τιμή, τα μόρια του νερού μπορούν να ξεφύγουν από τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων του νερού και στη συνέχεια να μετατραπούν σε ατμό. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το στέγνωμα των βρεγμένων ρούχων δεν επηρεάζεται μόνο από την πρόσθετη θερμότητα από τον ήλιο. Τα βρεγμένα ρούχα μπορούν επίσης να στεγνώσουν λόγω της πρόσθετης θερμότητας από τον ζεστό αέρα γύρω από τα ρούχα (μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγιμότητας από τον αέρα στα βρεγμένα ρούχα).
Σε μια ζεστή μέρα, το έδαφος ή το δάπεδο θερμαίνεται πιο γρήγορα. Το έδαφος θερμαίνεται γρήγορα επειδή η ειδική του θερμότητα είναι αρκετά μεγάλη. Το έδαφος θερμαίνει τον αέρα από πάνω του (σε αυτήν την περίπτωση, η μεταφορά θερμότητας γίνεται με αγωγιμότητα). Ο ζεστός αέρας διαστέλλεται (η πυκνότητά του μειώνεται) και κινείται προς τα πάνω. Όταν περνάει πάνω από βρεγμένα ρούχα, τα μόρια του αέρα συγκρούονται με τα μόρια του νερού στα ρούχα. Τα μόρια του νερού κινούνται πιο γρήγορα. Επειδή κινούνται πιο γρήγορα, η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού αυξάνεται. Τα γρήγορα κινούμενα μόρια του νερού συγκρούονται με άλλα μόρια νερού. Επειδή συγκρούονται συνεχώς με μόρια του αέρα, τα μόρια του νερού κινούνται πιο γρήγορα (η κινητική τους ενέργεια αυξάνεται).
Μόλις η ταχύτητά τους ή η κινητική τους ενέργεια φτάσει σε μια ορισμένη τιμή, τα ταχέως κινούμενα μόρια νερού μπορούν να ξεφύγουν από την έλξη μεταξύ των μορίων και να μετατραπούν σε ατμό... Η κινητική ενέργεια των μορίων νερού ή των μορίων του αέρα σχετίζεται στενά με τη θερμοκρασία. Εάν η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού είναι μεγάλη, τότε ταυτόχρονα η θερμοκρασία του νερού είναι υψηλή. Ή αντίστροφα, όταν η θερμοκρασία του νερού είναι υψηλή, η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού πρέπει να είναι μεγάλη. Η κινητική ενέργεια σχετίζεται επίσης με την ταχύτητα. Όσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια των μορίων, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα των μορίων. Ή αντίστροφα, όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα των μορίων, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια των μορίων.
Τι γίνεται με το ζεστό νερό; Το ζεστό νερό έχει υψηλή θερμοκρασία. Επειδή η θερμοκρασία του νερού είναι υψηλή, τα μόρια νερού στο νερό έχουν μεγάλη μέση κινητική ενέργεια. Επειδή η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του νερού είναι μεγάλη, πολλά μόρια νερού έχουν υψηλές ταχύτητες (πολλά μόρια νερού κινούνται γρήγορα). Τα μόρια νερού που έχουν υψηλή ταχύτητα μπορούν να ξεφύγουν από τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων και να μετατραπούν σε ατμό. Μόνο τα μόρια νερού με υψηλή ταχύτητα (μόρια νερού με μεγάλη κινητική ενέργεια) διαφεύγουν σε ατμό, ενώ τα μόρια νερού με χαμηλή ταχύτητα (μόρια νερού με μικρή κινητική ενέργεια) δεν μετατρέπονται σε ατμό. Έτσι, όταν τα μόρια νερού με υψηλή ταχύτητα μετατρέπονται σε ατμό, η μέση κινητική ενέργεια των μορίων νερού που παραμένουν μαζί γίνεται μικρότερη. Όσο μικρότερη είναι η μέση κινητική ενέργεια, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του νερού (το νερό γίνεται πιο κρύο). Με βάση αυτή τη σύντομη περιγραφή, μπορεί να ειπωθεί ότι η εξάτμιση είναι μια διαδικασία ψύξης.
Η διαδικασία ψύξης που προκαλείται από την εξάτμιση είναι ένα συνηθισμένο φαινόμενο στην καθημερινή ζωή. Όταν ο αέρας είναι αρκετά ζεστός, το σώμα απορροφά πολλή θερμότητα. Για να διατηρήσει μια σταθερή θερμοκρασία σώματος, το σώμα συνήθως απελευθερώνει θερμότητα μέσω του ιδρώτα. Επειδή ο ιδρώτας λαμβάνει επιπλέον θερμότητα από τον ήλιο και τον περιβάλλοντα αέρα, η κινητική ενέργεια των μορίων του ιδρώτα αυξάνεται. Επειδή η κινητική ενέργεια των μορίων του ιδρώτα αυξάνεται, η ταχύτητα των μορίων του ιδρώτα αυξάνεται. Τα μόρια του ιδρώτα μετατρέπονται σε ατμούς. Όταν ο ιδρώτας εξατμίζεται, το σώμα αισθάνεται δροσερό. Ακολουθεί ένα άλλο παράδειγμα... Συνήθως μετά από ένα ντους, το σώμα μας αισθάνεται δροσερό. Αυτό συμβαίνει επειδή το νερό που κολλάει στην επιφάνεια του δέρματος εξατμίζεται.
Η διαδικασία εξάτμισης που περιγράφεται παραπάνω συμβαίνει καθημερινά. Το θαλασσινό νερό, το νερό της λίμνης και το νερό του ποταμού μπορούν επίσης να εξατμιστούν...
Πίεση ατμών
Αυτό που εννοούμε εδώ με τον όρο ατμός είναι υδρατμοί. Παρατηρήστε την εικόνα. Ένα κλειστό δοχείο γεμάτο με νερό (υποθέστε ότι ο αέρας στο δοχείο έχει αφαιρεθεί). Σύμφωνα με την κινητική θεωρία, τα μόρια του νερού κινούνται πάντα. Όταν κινούνται, τα μόρια του νερού έχουν ταχύτητα και κινητική ενέργεια. Τα μόρια νερού που έχουν επαρκή ταχύτητα και κινητική ενέργεια μπορούν να ξεφύγουν από τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων του νερού και να μετατραπούν σε ατμό... Η ίδια διαδικασία συμβαίνει και με τα μόρια του νερού στο δοχείο δίπλα του. Με την πάροδο του χρόνου, όλο και περισσότερα μόρια νερού μετατρέπονται σε ατμό. Επειδή το δοχείο είναι κλειστό, τα μόρια νερού που έχουν μετατραπεί σε ατμό δεν μπορούν να διαφύγουν στην ατμόσφαιρα (τα μόρια είναι παγιδευμένα στο δοχείο). Ο αριθμός των μορίων νερού που μετατρέπονται σε ατμό είναι αρκετά μεγάλος, ώστε να υπάρχει πιθανότητα συγκρούσεων μεταξύ των μορίων και των τοιχωμάτων του δοχείου.
Μερικά από τα μόρια που χτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου θα ανακλαστούν πίσω στην επιφάνεια του νερού και θα ενωθούν για να σχηματίσουν νερό. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς. Με την πάροδο του χρόνου, όλο και περισσότερα μόρια νερού θα μετατραπούν σε ατμό (μετατροπή από υγρό σε ατμό). Ταυτόχρονα, ορισμένα από τα μόρια που χτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου θα μετατραπούν ξανά σε νερό (μετατροπή από ατμό σε υγρό). Εάν ο αριθμός των μορίων που αλλάζουν από υγρό σε ατμό είναι ίσος με τον αριθμό των μορίων που αλλάζουν από ατμό σε υγρό, τότε θα επέλθει ισορροπία. Όταν επέλθει ισορροπία, το πάνω μέρος του δοχείου που περιέχει ατμό λέγεται κορεσμένο... Η τάση ατμών στην περιοχή κορεσμού είναι γνωστή ως τάση κορεσμένων ατμών.
Η αλλαγή από υγρό σε ατμό ονομάζεται εξάτμιση. Η αλλαγή από ατμό σε υγρό ονομάζεται συμπύκνωση. Σημειώστε ότι η τάση κορεσμένων ατμών εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία και όχι από τον όγκο. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του νερού, αυξάνεται και η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού.
Η κινητική ενέργεια των μορίων του νερού αυξάνεται, επομένως η ταχύτητά τους πρέπει να αυξηθεί. Με αυτόν τον τρόπο, όλο και περισσότερα μόρια με υψηλή ταχύτητα θα μετατρέπονται σε ατμούς (αλλάζουν κατάσταση από υγρή σε ατμό). Επειδή ο όγκος του δοχείου είναι σταθερός, η τάση ατμών εξαρτάται μόνο από τον αριθμό των μορίων (N) και την ταχύτητα (v).
Όσο περισσότερα μόρια (τόσο μεγαλύτερο είναι το N) μετατρέπονται σε ατμό και όσο υψηλότερη είναι η ταχύτητα αυτών των μορίων (τόσο μεγαλύτερο είναι το v), τόσο περισσότερο αυξάνεται η τάση ατμών. Έτσι, η ισορροπία θα επιτευχθεί σε υψηλότερη τάση ατμών. Επομένως, η τάση κορεσμένων ατμών θα αυξηθεί επίσης. Η τάση κορεσμένων ατμών υπάρχει μόνο όταν επιτευχθεί ισορροπία. Τα παρακάτω δείχνουν την αλλαγή στην τάση κορεσμένων ατμών του νερού με τη θερμοκρασία.
Η τάση ατμών εξαρτάται από τον όγκο, αλλά η τάση κορεσμένων ατμών δεν εξαρτάται από τον όγκο. Εάν ο όγκος ενός δοχείου αυξηθεί ή μειωθεί, τελικά θα επιτευχθεί ισορροπία. Η παραπάνω απεικόνιση είναι απλώς για να σας καθοδηγήσει στην κατανόηση της τάσης κορεσμένων ατμών που εμφανίζεται στην ατμόσφαιρα. Η διαφορά είναι ότι, στην προηγούμενη απεικόνιση, υποθέσαμε ότι δεν υπήρχε αέρας στο τμήμα του δοχείου που δεν περιείχε νερό. Επομένως, το τμήμα του δοχείου που δεν περιείχε νερό καταλαμβανόταν μόνο από υδρατμούς. Αντίθετα, η επιφάνεια της Γης είναι πάντα γεμάτη με αέρα. Οι συγκρούσεις μεταξύ μορίων ατμών και άλλων μορίων αερίου παρατείνουν μόνο τον χρόνο που χρειάζεται για να επιτευχθεί ισορροπία. Ωστόσο, η ισορροπία θα επιτευχθεί τελικά όταν ο αριθμός των μορίων νερού που μετατρέπονται σε ατμούς είναι ίσος με τον αριθμό των μορίων ατμών που μετατρέπονται σε νερό.
