Kineettinen teoria
Haihtumisprosessi voidaan selittää kineettisen teorian avulla. Kuten kaasumolekyylit, myös vesimolekyylit liikkuvat. Ero on siinä, että vesimolekyylit eivät voi erottua toisistaan, koska niiden väliset vetovoimat pystyvät edelleen pitämään ne yhdessä. Sitä vastoin kaasumolekyylien väliset vetovoimat ovat hyvin heikkoja, joten kaasumolekyylit eivät voi tarttua yhteen. Liikkuessaan vesimolekyyleillä on nopeus. Joillakin vesimolekyyleillä on suuret nopeudet, kun taas toisilla on pienet. Vesimolekyylien nopeuksien jakauma muistuttaa Maxwell-jakaumaa.
Haihtumista tapahtuu, kun vesimolekyylien nopeus on riittävän suuri, jotta vesimolekyylien välinen vetovoima ei pysty pitämään niitä yhdessä. Samoin kuin avaruuteen liikkuvan raketin kohdalla, raketin nopeus on riittävän suuri, jotta Maan painovoima ei pysty estämään sitä pysymästä Maassa. On huomattava, että vain suuret nopeudet omaavat molekyylit pystyvät pakenemaan molekyylien välisiä vetovoimia. Pienetkin nopeudet omaavat molekyylit yhdistyvät muodostaen vettä.
Vesimolekyyleillä on massa ja nopeus, joten niillä on kineettistä energiaa (EK = 1/2 mv 2 ). Suurilla nopeuksilla liikkuvilla vesimolekyyleillä on suurempi kineettinen energia kuin pienillä nopeuksilla liikkuvilla vesimolekyyleillä. Voidaan siis sanoa, että vesimolekyyleillä, jotka pääsevät eroon molekyylien välisistä vetovoimista (vesimolekyylit, jotka muuttuvat höyryksi), on melko suuri kineettinen energia. Yleensä vesimolekyylien kineettinen energia kasvaa veden lämpötilan noustessa. Jos veden lämpötila on riittävän korkea, vesimolekyylien kineettinen energia kasvaa. Näin ollen enemmän vettä muuttuu höyryksi. Tämä on yhdenmukaista tutkimustulosten kanssa, jotka osoittavat, että haihtumisnopeus on yleensä suurempi korkeissa lämpötiloissa.
Kun kuivaamme märkiä vaatteita auringossa, märät vaatteet imevät auringon säteilemän lämmön. Auringon lisäenergia lisää vaatteiden vesimolekyylien kineettistä energiaa. Koska kineettisen energian kasvu, vesimolekyylit liikkuvat nopeammin (vesimolekyylien nopeus kasvaa). Kun niiden nopeus tai kineettinen energia saavuttaa tietyn arvon, vesimolekyylit voivat paeta vesimolekyylien välisiä vetovoimia ja muuttua höyryksi. On tärkeää huomata, että märkien vaatteiden kuivumiseen ei vaikuta pelkästään auringon lisälämpö. Märät vaatteet voivat kuivua myös vaatteita ympäröivän lämpimän ilman lisälämmön ansiosta (lämmön siirtyminen johtumalla ilmasta märkiin vaatteisiin).
Kuumana päivänä maa tai lattia lämpenee nopeammin. Maa lämpenee nopeasti, koska sen ominaislämpöarvo on melko suuri. Maa lämmittää yläpuolellaan olevaa ilmaa (tässä tapauksessa lämmönsiirto tapahtuu johtumalla). Kuuma ilma laajenee (sen tiheys pienenee) ja liikkuu ylöspäin. Kun se kulkee märkien vaatteiden yli, ilmamolekyylit törmäävät vaatteiden vesimolekyyleihin. Vesimolekyylit liikkuvat nopeammin. Koska ne liikkuvat nopeammin, vesimolekyylien liike-energia kasvaa. Nopeasti liikkuvat vesimolekyylit törmäävät muihin vesimolekyyleihin. Koska ilmamolekyylit törmäävät niihin jatkuvasti, vesimolekyylit liikkuvat nopeammin (niiden liike-energia kasvaa).
Kun niiden nopeus tai kineettinen energia saavuttaa tietyn arvon, nopeasti liikkuvat vesimolekyylit voivat päästä eroon molekyylien välisestä vetovoimasta ja muuttua höyryksi… Vesimolekyylien tai ilmamolekyylien kineettinen energia liittyy läheisesti lämpötilaan. Jos vesimolekyylien kineettinen energia on suuri, niin samanaikaisesti veden lämpötila on korkea. Tai päinvastoin, kun veden lämpötila on korkea, vesimolekyylien kineettisen energian on oltava suuri. Kineettinen energia liittyy myös nopeuteen. Mitä suurempi molekyylien kineettinen energia on, sitä suurempi on molekyylien nopeus. Tai päinvastoin, mitä suurempi on molekyylien nopeus, sitä suurempi on molekyylien kineettinen energia.
Entä kuuma vesi? Kuumalla vedellä on korkea lämpötila. Koska veden lämpötila on korkea, veden vesimolekyyleillä on suuri keskimääräinen kineettinen energia. Koska vesimolekyylien keskimääräinen kineettinen energia on suuri, monilla vesimolekyyleillä on suuri nopeus (monet vesimolekyylit liikkuvat nopeasti). Suurinopeuksiset vesimolekyylit voivat paeta molekyylien välisiä vetovoimia ja muuttua höyryksi. Vain suurinopeuksiset vesimolekyylit (suuren kineettisen energian omaavat vesimolekyylit) pääsevät höyryksi, kun taas hitaat vesimolekyylit (pienen kineettisen energian omaavat vesimolekyylit) eivät muutu höyryksi. Näin ollen, kun suurella nopeudella liikkuvat vesimolekyylit muuttuvat höyryksi, yhdessä pysyvien vesimolekyylien keskimääräinen kineettinen energia pienenee. Mitä pienempi keskimääräinen kineettinen energia on, sitä alhaisempi veden lämpötila on (vesi kylmenee). Tämän lyhyen kuvauksen perusteella voidaan sanoa, että haihtuminen on jäähtymisprosessi.
Haihtumisen aiheuttama viilentyminen on yleinen ilmiö jokapäiväisessä elämässä. Kun ilma on melko kuuma, keho imee paljon lämpöä. Vakaan ruumiinlämmön ylläpitämiseksi keho tyypillisesti vapauttaa lämpöä hikoilemalla. Koska hiki saa lisälämpöä auringosta ja ympäröivästä ilmasta, hikimolekyylien liike-energia kasvaa. Koska hikimolekyylien liike-energia kasvaa, hikimolekyylien nopeus kasvaa. Hikimolekyylit muuttuvat höyryksi. Kun hiki haihtuu, keho tuntuu viileältä. Tässä on toinen esimerkki... Yleensä suihkun jälkeen kehomme tuntuu viileältä. Tämä johtuu siitä, että ihon pintaan tarttuva vesi haihtuu.
Yllä kuvattu haihtumisprosessi tapahtuu joka päivä. Myös merivesi, järvivesi ja jokivesi voivat haihtua…
Höyrynpaine
Höyryllä tarkoitetaan tässä vesihöyryä. Katso kuvaa. Suljettu astia, joka on täytetty vedellä (olettaen, että astian ilma on poistettu). Kineettisen teorian mukaan vesimolekyylit ovat aina liikkeessä. Liikkeessä vesimolekyyleillä on nopeus ja kineettinen energia. Riittävän nopeuden ja kineettisen energian omaavat vesimolekyylit voivat paeta vesimolekyylien välisiä vetovoimia ja muuttua höyryksi... Sama prosessi tapahtuu viereisen astian vesimolekyyleille. Ajan kuluessa yhä useammat vesimolekyylit muuttuvat höyryksi. Koska astia on suljettu, höyryksi muuttuneet vesimolekyylit eivät pääse pakenemaan ilmakehään (molekyylit jäävät loukkuun astiaan). Höyryksi muuttuvien vesimolekyylien määrä on riittävän suuri, jotta molekyylien ja astian seinämien välillä on mahdollinen törmäys.
Osa astian seinämiin osuvista molekyyleistä heijastuu takaisin veden pintaan ja yhdistyy muodostaen vettä. Tämä prosessi toistuu jatkuvasti. Ajan kuluessa yhä useammat vesimolekyylit muuttuvat höyryksi (muuttuvat nesteestä höyryksi). Samaan aikaan osa astian seinämiin osuvista molekyyleistä muuttuu takaisin vedeksi (muuttuu höyrystä nesteeksi). Jos nesteestä höyryksi muuttuvien molekyylien lukumäärä on yhtä suuri kuin höyrystä nesteeksi muuttuvien molekyylien lukumäärä, saavutetaan tasapaino. Kun tasapaino saavutetaan, höyryä sisältävän astian yläosan sanotaan olevan kyllästynyt… Höyrynpainetta kyllästyneellä alueella kutsutaan kylläiseksi höyrynpaineeksi.
Muutosta nesteestä höyryksi kutsutaan haihtumiseksi. Muutosta höyrystä nesteeksi kutsutaan kondensoitumiseksi. Huomaa, että kylläisen höyryn paine riippuu vain lämpötilasta eikä tilavuudesta. Veden lämpötilan noustessa vesimolekyylien kineettinen energia kasvaa.
Vesimolekyylien kineettinen energia kasvaa, joten vesimolekyylien nopeuden on kasvettava. Tällä tavoin yhä useammat ja useammat suurella nopeudella liikkuvat molekyylit muuttuvat höyryksi (vaihtavat olomuotoaan nesteestä höyryksi). Koska säiliön tilavuus on kiinteä, höyrynpaine riippuu vain molekyylien lukumäärästä (N) ja nopeudesta (v).
Mitä enemmän molekyylejä (mitä suurempi N) muuttuu höyryksi ja mitä suurempi näiden molekyylien nopeus (mitä suurempi v), sitä enemmän höyrynpaine kasvaa. Tasapaino saavutetaan siis korkeammassa höyrynpaineessa. Näin ollen myös kylläisen höyryn paine kasvaa. Kylläisen höyryn paine on olemassa vain, kun tasapaino saavutetaan. Seuraavassa on esitetty veden kylläisen höyrynpaineen muutos lämpötilan funktiona.
Höyrynpaine riippuu tilavuudesta, mutta kylläisen höyrynpaine ei. Jos säiliön tilavuus kasvaa tai pienenee, tasapaino saavutetaan lopulta. Yllä oleva kuva on tarkoitettu vain auttamaan sinua ymmärtämään ilmakehässä vallitsevaa kylläisen höyrynpainetta. Ero on siinä, että edellisessä kuvassa oletimme, ettei säiliön siinä osassa, joka ei sisältänyt vettä, ollut ilmaa. Siksi säiliön se osa, joka ei sisältänyt vettä, oli täynnä vain vesihöyryä. Sitä vastoin Maan pinta on aina täynnä ilmaa. Höyrymolekyylien ja muiden kaasumolekyylien törmäykset vain pidentävät tasapainon saavuttamiseen kuluvaa aikaa. Tasapaino saavutetaan kuitenkin lopulta, kun höyryksi muuttuvien vesimolekyylien määrä on yhtä suuri kuin vedeksi muuttuvien höyrymolekyylien määrä.
