تبخیر

نظریه جنبشی

فرآیند تبخیر را می‌توان با استفاده از نظریه جنبشی توضیح داد. مولکول‌های آب نیز مانند مولکول‌های گاز حرکت می‌کنند. تفاوت این است که مولکول‌های آب نمی‌توانند از هم جدا شوند زیرا نیروهای جاذبه بین آنها هنوز قادر به نگه داشتن آنها در کنار هم هستند. در مقابل، نیروهای جاذبه بین مولکول‌های گاز بسیار ضعیف هستند، بنابراین مولکول‌های گاز نمی‌توانند به هم بچسبند. هنگام حرکت، مولکول‌های آب سرعت دارند. برخی از مولکول‌های آب سرعت بالایی دارند، در حالی که برخی دیگر سرعت پایینی دارند. توزیع سرعت مولکول‌های آب شبیه توزیع ماکسول است.

تبخیر زمانی اتفاق می‌افتد که سرعت مولکول‌های آب به اندازه کافی زیاد باشد، به طوری که نیروی جاذبه بین مولکول‌های آب نتواند آنها را در کنار هم نگه دارد. مشابه موشکی که به فضا حرکت می‌کند، سرعت موشک به اندازه‌ای زیاد است که نیروی جاذبه زمین نمی‌تواند آن را از ماندن روی زمین بازدارد. باید توجه داشت که فقط مولکول‌هایی که سرعت بالایی دارند، می‌توانند از نیروهای جاذبه بین مولکول‌ها فرار کنند. مولکول‌هایی با سرعت کم نیز با هم ترکیب می‌شوند و آب را تشکیل می‌دهند.

مولکول‌های آب دارای جرم و سرعت یا تندی هستند، به طوری که مولکول‌های آب دارای انرژی جنبشی هستند (EK = 1/2 mv ² ). مولکول‌های آبی که سرعت بالایی دارند، انرژی جنبشی بیشتری نسبت به مولکول‌های آبی که سرعت پایینی دارند، دارند. بنابراین، می‌توان گفت مولکول‌های آبی که می‌توانند از نیروهای جاذبه بین مولکول‌ها فرار کنند (مولکول‌های آبی که به بخار تبدیل می‌شوند) انرژی جنبشی بسیار زیادی دارند. معمولاً انرژی جنبشی مولکول‌های آب با افزایش دمای آب افزایش می‌یابد. اگر دمای آب به اندازه کافی بالا باشد، انرژی جنبشی مولکول‌های آب افزایش می‌یابد. بنابراین، آب بیشتری به بخار تبدیل می‌شود. این با نتایج تحقیقاتی که نشان می‌دهند سرعت تبخیر معمولاً در دماهای بالا بیشتر است، مطابقت دارد.

وقتی لباس‌های خیس را در آفتاب خشک می‌کنیم، لباس‌های خیس گرمای ساطع‌شده از خورشید را جذب می‌کنند. انرژی اضافی خورشید باعث افزایش انرژی جنبشی مولکول‌های آب در لباس‌ها می‌شود. از آنجا که انرژی جنبشی افزایش می‌یابد، مولکول‌های آب سریع‌تر حرکت می‌کنند (سرعت مولکول‌های آب افزایش می‌یابد). هنگامی که سرعت یا انرژی جنبشی آنها به مقدار مشخصی می‌رسد، مولکول‌های آب می‌توانند از نیروهای جاذبه بین مولکول‌های آب فرار کنند و سپس به بخار تبدیل شوند. توجه به این نکته مهم است که خشک شدن لباس‌های خیس فقط تحت تأثیر گرمای اضافی خورشید نیست. لباس‌های خیس همچنین می‌توانند به دلیل گرمای اضافی هوای گرم اطراف لباس‌ها خشک شوند (انتقال گرما از طریق رسانش از هوا به لباس‌های خیس).

در یک روز گرم، زمین یا کف سریع‌تر گرم می‌شود. زمین به سرعت گرم می‌شود زیرا گرمای ویژه آن بسیار زیاد است. زمین هوای بالای خود را گرم می‌کند (در این حالت، انتقال گرما از طریق رسانش رخ می‌دهد). هوای گرم منبسط می‌شود (چگالی آن کاهش می‌یابد) و به سمت بالا حرکت می‌کند. وقتی از روی لباس‌های خیس عبور می‌کند، مولکول‌های هوا با مولکول‌های آب موجود در لباس برخورد می‌کنند. مولکول‌های آب سریع‌تر حرکت می‌کنند. از آنجا که سریع‌تر حرکت می‌کنند، انرژی جنبشی مولکول‌های آب افزایش می‌یابد. مولکول‌های آب با سرعت بالا با سایر مولکول‌های آب برخورد می‌کنند. از آنجا که مولکول‌های هوا به طور مداوم با آنها برخورد می‌کنند، مولکول‌های آب سریع‌تر حرکت می‌کنند (انرژی جنبشی آنها افزایش می‌یابد).

وقتی سرعت یا انرژی جنبشی مولکول‌های آب به مقدار مشخصی برسد، آنها می‌توانند از جاذبه بین مولکول‌ها فرار کرده و به بخار تبدیل شوند... انرژی جنبشی مولکول‌های آب یا مولکول‌های هوا ارتباط نزدیکی با دما دارد. اگر انرژی جنبشی مولکول‌های آب زیاد باشد، در همان زمان دمای آب نیز بالا است. یا برعکس، وقتی دمای آب زیاد است، انرژی جنبشی مولکول‌های آب باید زیاد باشد. انرژی جنبشی نیز به سرعت مربوط است. هرچه انرژی جنبشی مولکول‌ها بیشتر باشد، سرعت مولکول‌ها نیز بیشتر است. یا برعکس، هرچه سرعت مولکول‌ها بیشتر باشد، انرژی جنبشی مولکول‌ها نیز بیشتر است.

در مورد آب گرم چطور؟ آب گرم دمای بالایی دارد. از آنجا که دمای آب بالا است، مولکول‌های آب موجود در آب انرژی جنبشی متوسط ​​زیادی دارند. از آنجا که انرژی جنبشی متوسط ​​مولکول‌های آب زیاد است، بسیاری از مولکول‌های آب سرعت بالایی دارند (بسیاری از مولکول‌های آب به سرعت حرکت می‌کنند). مولکول‌های آبی که سرعت بالایی دارند می‌توانند از نیروهای جاذبه بین مولکول‌ها فرار کرده و به بخار تبدیل شوند. فقط مولکول‌های آب با سرعت بالا (مولکول‌های آب با انرژی جنبشی زیاد) به بخار تبدیل می‌شوند، در حالی که مولکول‌های آب با سرعت کم (مولکول‌های آب با انرژی جنبشی کم) به بخار تبدیل نمی‌شوند. بنابراین، وقتی مولکول‌های آب با سرعت بالا به بخار تبدیل می‌شوند، انرژی جنبشی متوسط ​​مولکول‌های آبی که در کنار هم باقی می‌مانند، کوچکتر می‌شود. هرچه انرژی جنبشی متوسط ​​کمتر باشد، دمای آب کمتر می‌شود (آب سردتر می‌شود). بر اساس این توضیح مختصر، می‌توان گفت که تبخیر یک فرآیند خنک‌کننده است.

فرآیند خنک شدن ناشی از تبخیر، یک اتفاق رایج در زندگی روزمره است. وقتی هوا کاملاً گرم است، بدن گرمای زیادی جذب می‌کند. برای حفظ دمای ثابت بدن، بدن معمولاً گرما را از طریق عرق آزاد می‌کند. از آنجا که عرق گرمای بیشتری از خورشید و هوای اطراف دریافت می‌کند، انرژی جنبشی مولکول‌های عرق افزایش می‌یابد. از آنجا که انرژی جنبشی مولکول‌های عرق افزایش می‌یابد، سرعت مولکول‌های عرق نیز افزایش می‌یابد. مولکول‌های عرق به بخار تبدیل می‌شوند. وقتی عرق تبخیر می‌شود، بدن احساس خنکی می‌کند. در اینجا مثال دیگری می‌زنیم... معمولاً پس از دوش گرفتن، بدن ما احساس خنکی می‌کند. این به این دلیل است که آبی که به سطح پوست می‌چسبد، تبخیر می‌شود.

فرآیند تبخیر که در بالا توضیح داده شد هر روز اتفاق می‌افتد. آب دریا، آب دریاچه و آب رودخانه نیز می‌توانند تبخیر شوند...

فشار بخار

منظور از بخار در اینجا، بخار آب است. به تصویر نگاه کنید. یک ظرف دربسته پر از آب (فرض کنید هوای داخل ظرف خارج شده است). طبق نظریه جنبشی، مولکول‌های آب همیشه در حال حرکت هستند. مولکول‌های آب هنگام حرکت، سرعت و انرژی جنبشی دارند. مولکول‌های آبی که سرعت و انرژی جنبشی کافی دارند، می‌توانند از نیروهای جاذبه بین مولکول‌های آب فرار کرده و به بخار تبدیل شوند... همین فرآیند برای مولکول‌های آب موجود در ظرف کناری نیز رخ می‌دهد. با گذشت زمان، مولکول‌های آب بیشتری به بخار تبدیل می‌شوند. از آنجا که ظرف بسته است، مولکول‌های آبی که به بخار تبدیل شده‌اند، نمی‌توانند به جو فرار کنند (مولکول‌ها در ظرف به دام می‌افتند). تعداد مولکول‌های آبی که به بخار تبدیل می‌شوند به اندازه کافی زیاد است که احتمال برخورد بین مولکول‌ها و دیواره‌های ظرف وجود دارد.

برخی از مولکول‌هایی که به دیواره‌های ظرف برخورد می‌کنند، به سطح آب بازتاب می‌شوند و با هم ترکیب می‌شوند تا آب تشکیل دهند. این فرآیند به طور مداوم تکرار می‌شود. با گذشت زمان، مولکول‌های آب بیشتری به بخار تبدیل می‌شوند (از مایع به بخار تبدیل می‌شوند). در عین حال، برخی از مولکول‌هایی که به دیواره‌های ظرف برخورد می‌کنند، دوباره به آب تبدیل می‌شوند (از بخار به مایع تبدیل می‌شوند). اگر تعداد مولکول‌هایی که از مایع به بخار تغییر می‌کنند برابر با تعداد مولکول‌هایی باشد که از بخار به مایع تغییر می‌کنند، تعادل برقرار می‌شود. وقتی تعادل برقرار می‌شود، گفته می‌شود که بالای ظرف حاوی بخار اشباع شده است... فشار بخار در ناحیه اشباع به عنوان فشار بخار اشباع شناخته می‌شود.

تغییر از مایع به بخار، تبخیر نامیده می‌شود. تغییر از بخار به مایع، میعان نامیده می‌شود. توجه داشته باشید که فشار بخار اشباع فقط به دما بستگی دارد و نه به حجم. با افزایش دمای آب، انرژی جنبشی مولکول‌های آب افزایش می‌یابد.

انرژی جنبشی مولکول‌های آب افزایش می‌یابد، بنابراین سرعت مولکول‌های آب نیز باید افزایش یابد. به این ترتیب، مولکول‌های بیشتر و بیشتری با سرعت بالا به بخار تبدیل می‌شوند (از حالت مایع به بخار تغییر حالت می‌دهند). از آنجا که حجم ظرف ثابت است، فشار بخار فقط به تعداد مولکول‌ها (N) و سرعت (v) بستگی دارد.

هرچه مولکول‌های بیشتری (N بزرگتر) به بخار تبدیل شوند و سرعت این مولکول‌ها بیشتر باشد (v بزرگتر)، فشار بخار بیشتر افزایش می‌یابد. بنابراین، تعادل در فشار بخار بالاتری رخ می‌دهد. بنابراین، فشار بخار اشباع نیز افزایش می‌یابد. فشار بخار اشباع فقط زمانی وجود دارد که تعادل برقرار باشد. شکل زیر تغییر فشار بخار اشباع آب را با دما نشان می‌دهد.

فشار بخار به حجم بستگی دارد، اما فشار بخار اشباع اینگونه نیست. اگر حجم یک ظرف افزایش یا کاهش یابد، در نهایت به تعادل خواهیم رسید. تصویر بالا صرفاً برای راهنمایی شما در درک فشار بخار اشباعی است که در جو رخ می‌دهد. تفاوت این است که در تصویر قبلی، فرض کردیم که در بخشی از ظرف که حاوی آب نبود، هوایی وجود نداشت. بنابراین، بخشی از ظرف که حاوی آب نبود، فقط توسط بخار آب اشغال شده بود. در مقابل، سطح زمین همیشه پر از هوا است. برخورد بین مولکول‌های بخار و سایر مولکول‌های گاز فقط زمان لازم برای رسیدن به تعادل را طولانی‌تر می‌کند. با این حال، در نهایت زمانی تعادل برقرار می‌شود که تعداد مولکول‌های آبی که به بخار تبدیل می‌شوند برابر با تعداد مولکول‌های بخاری باشد که به آب تبدیل می‌شوند.