Kineetiline teooria
Aurustumisprotsessi saab selgitada kineetilise teooria abil. Nagu gaasimolekulid, liiguvad ka veemolekulid. Erinevus seisneb selles, et veemolekulid ei saa eralduda, sest nendevahelised tõmbejõud suudavad neid ikkagi koos hoida. Seevastu gaasimolekulide vahelised tõmbejõud on väga nõrgad, seega ei saa gaasimolekulid kokku kleepuda. Liikudes on veemolekulidel kiirus. Mõnel veemolekulil on suur kiirus, teistel aga väike. Veemolekulide kiiruste jaotus sarnaneb Maxwelli jaotusega.
Aurustumine toimub siis, kui veemolekulide kiirus on piisavalt suur, nii et veemolekulide vaheline tõmbejõud ei suuda neid koos hoida. Sarnaselt kosmosesse liikuva raketiga on raketi kiirus piisavalt suur, nii et Maa gravitatsioonijõud ei suuda takistada selle Maa pinnal püsimist. Tuleb märkida, et ainult suure kiirusega molekulid suudavad molekulidevaheliste tõmbejõudude eest põgeneda. Väikese kiirusega molekulid ühinevad ikkagi, moodustades vett.
Veemolekulidel on mass ja kiirus ehk kiirus, seega on veemolekulidel kineetiline energia (EK = 1/2 mv 2 ). Suure kiirusega veemolekulidel on suurem kineetiline energia kui väikese kiirusega veemolekulidel. Seega võib öelda, et veemolekulidel, mis suudavad pääseda molekulidevahelistest tõmbejõududest (veemolekulid, mis muutuvad auruks), on üsna suur kineetiline energia. Tavaliselt suureneb veemolekulide kineetiline energia vee temperatuuri tõustes. Kui vee temperatuur on piisavalt kõrge, suureneb ka veemolekulide kineetiline energia. Seega muutub rohkem vett auruks. See on kooskõlas uurimistulemustega, mis näitavad, et aurustumiskiirus on kõrgetel temperatuuridel tavaliselt suurem.
Kui me päikese käes märgu riideid kuivatame, neelavad märjad riided päikese poolt kiirgavat soojust. Päikesest tulev lisaenergia põhjustab riietes olevate veemolekulide kineetilise energia suurenemist. Kuna kineetiline energia suureneb, liiguvad veemolekulid kiiremini (veemolekulide kiirus suureneb). Kui nende kiirus või kineetiline energia saavutab teatud väärtuse, pääsevad veemolekulid veemolekulide vahelistest tõmbejõududest välja ja muutuvad auruks. Oluline on märkida, et märgade riiete kuivamist ei mõjuta ainult päikesest tulev lisasoojus. Märjad riided saavad kuivada ka tänu riideid ümbritseva sooja õhu lisasoojusele (soojusülekanne õhust märgadele riietele juhtivuse teel).
Kuumal päeval soojeneb maapind või põrand kiiremini. Maapind soojeneb kiiresti, kuna selle erisoojus on üsna suur. Maapind soojendab enda kohal olevat õhku (antud juhul toimub soojusülekanne juhtivuse teel). Kuum õhk paisub (selle tihedus väheneb) ja liigub ülespoole. Märgade riiete kohal liikudes põrkuvad õhumolekulid riietes olevate veemolekulidega. Veemolekulid liiguvad kiiremini. Kuna nad liiguvad kiiremini, suureneb veemolekulide kineetiline energia. Kiiresti liikuvad veemolekulid põrkuvad teiste veemolekulidega. Kuna õhumolekulid põrkavad nendega pidevalt kokku, liiguvad veemolekulid kiiremini (nende kineetiline energia suureneb).
Kui nende kiirus või kineetiline energia saavutab teatud väärtuse, saavad kiiresti liikuvad veemolekulid molekulidevahelisest tõmbejõust vabaneda ja auruks muutuda... Vee- või õhumolekulide kineetiline energia on tihedalt seotud temperatuuriga. Kui veemolekulide kineetiline energia on suur, siis on samal ajal ka vee temperatuur kõrge. Või vastupidi, kui vee temperatuur on kõrge, peab veemolekulide kineetiline energia olema suur. Kineetiline energia on samuti seotud kiirusega. Mida suurem on molekulide kineetiline energia, seda suurem on molekulide kiirus. Või vastupidi, mida suurem on molekulide kiirus, seda suurem on molekulide kineetiline energia.
Aga kuum vesi? Kuumal veel on kõrge temperatuur. Kuna vee temperatuur on kõrge, on vees olevatel veemolekulidel suur keskmine kineetiline energia. Kuna veemolekulide keskmine kineetiline energia on suur, on paljudel veemolekulidel suur kiirus (paljud veemolekulid liiguvad kiiresti). Suure kiirusega veemolekulid pääsevad molekulidevahelistest tõmbejõududest välja ja muutuvad auruks. Ainult suure kiirusega veemolekulid (suure kineetilise energiaga veemolekulid) pääsevad auruks, samas kui väikese kiirusega veemolekulid (väikese kineetilise energiaga veemolekulid) ei muutu auruks. Seega, kui suure kiirusega veemolekulid muutuvad auruks, muutub koos olevate veemolekulide keskmine kineetiline energia väiksemaks. Mida väiksem on keskmine kineetiline energia, seda madalam on vee temperatuur (vesi muutub külmemaks). Selle lühikese kirjelduse põhjal võib öelda, et aurustumine on jahutusprotsess.
Aurustumisest tingitud jahtumisprotsess on igapäevaelus tavaline nähtus. Kui õhk on üsna kuum, neelab keha palju soojust. Püsiva kehatemperatuuri säilitamiseks vabastab keha tavaliselt soojust higi kaudu. Kuna higi saab päikeselt ja ümbritsevalt õhult lisasoojust, suureneb higimolekulide kineetiline energia. Kuna higimolekulide kineetiline energia suureneb, suureneb higimolekulide kiirus. Higimolekulid muutuvad auruks. Kui higi aurustub, tundub keha jahe. Siin on veel üks näide... Tavaliselt pärast dušši tunneb meie keha jahedat. See on tingitud sellest, et naha pinnale kleepuv vesi aurustub.
Ülalkirjeldatud aurustumisprotsess toimub iga päev. Merevesi, järvevesi ja jõevesi võivad samuti aurustuda…
Aururõhk
Auru all mõeldakse siin veeauru. Vaadake pilti. Suletud anum, mis on täidetud veega (eeldage, et anumast on õhk eemaldatud). Kineetilise teooria kohaselt liiguvad veemolekulid alati. Liikudes on veemolekulidel kiirus ja kineetiline energia. Piisava kiiruse ja kineetilise energiaga veemolekulid pääsevad veemolekulide vahelistest tõmbejõududest välja ja muutuvad auruks... Sama protsess toimub ka kõrvalasuvas anumas olevate veemolekulidega. Aja möödudes muutub üha rohkem veemolekule auruks. Kuna anum on suletud, ei saa auruks muutunud veemolekulid atmosfääri pääseda (molekulid jäävad anumasse lõksu). Auruks muutunud veemolekulide arv on piisavalt suur, et molekulide ja anuma seinte vahel oleks võimalik kokkupõrge.
Osa anuma seintele põrkavatest molekulidest peegeldub tagasi veepinnale ja ühineb, moodustades vee. See protsess kordub pidevalt. Aja möödudes muutub üha rohkem veemolekule auruks (muutub vedelikust auruks). Samal ajal muutuvad mõned anuma seintele põrkavatest molekulidest tagasi veeks (muutuvad aurust vedelikuks). Kui vedelikust auruks muutuvate molekulide arv on võrdne aurust vedelikuks muutuvate molekulide arvuga, siis saabub tasakaal. Tasakaalu saabumisel öeldakse, et auru sisaldav anuma ülaosa on küllastunud... Aururõhku küllastunud piirkonnas nimetatakse küllastunud aururõhuks.
Vedeliku muutumist auruks nimetatakse aurustumiseks. Auru muutumist vedelikuks nimetatakse kondenseerumiseks. Pane tähele, et küllastunud auru rõhk sõltub ainult temperatuurist, mitte ruumalast. Vee temperatuuri tõustes suureneb veemolekulide kineetiline energia.
Veemolekulide kineetiline energia suureneb, mistõttu peab suurenema ka veemolekulide kiirus. Sel viisil muutub üha rohkem ja rohkem suure kiirusega molekule auruks (muudab olekut vedelast auruks). Kuna anuma maht on fikseeritud, sõltub aururõhk ainult molekulide arvust (N) ja kiirusest (v).
Mida rohkem molekule (mida suurem on N) auruks muundub ja mida suurem on nende molekulide kiirus (mida suurem on v), seda rohkem aururõhk suureneb. Seega saabub tasakaal kõrgema aururõhu juures. Seetõttu suureneb ka küllastunud auru rõhk. Küllastunud auru rõhk tekib ainult siis, kui tasakaal on saavutatud. Järgnev näitab vee küllastunud auru rõhu muutust temperatuuriga.
Aururõhk sõltub ruumalast, kuid küllastunud auru rõhk mitte. Kui anuma maht suureneb või väheneb, saavutatakse lõpuks tasakaal. Ülaltoodud illustratsioon on lihtsalt abiks atmosfääris esineva küllastunud auru rõhu mõistmisel. Erinevus seisneb selles, et eelmisel illustratsioonil eeldasime, et anuma selles osas, mis ei sisaldanud vett, pole õhku. Seega oli anuma see osa, mis ei sisaldanud vett, ainult veeaur. Seevastu Maa pind on alati täidetud õhuga. Aurumolekulide ja teiste gaasimolekulide kokkupõrked pikendavad ainult tasakaalu saavutamiseks kuluvat aega. Tasakaal saavutatakse aga lõpuks siis, kui auruks muunduvate veemolekulide arv on võrdne veeks muunduvate aurumolekulide arvuga.
