ગતિ સિદ્ધાંત
ગતિ સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ કરીને બાષ્પીભવન પ્રક્રિયા સમજાવી શકાય છે. વાયુના અણુઓની જેમ, પાણીના અણુઓ પણ ગતિ કરે છે. તફાવત એ છે કે પાણીના અણુઓ અલગ થઈ શકતા નથી કારણ કે તેમની વચ્ચેના આકર્ષણ બળો હજુ પણ તેમને એકસાથે પકડી રાખવામાં સક્ષમ છે. તેનાથી વિપરીત, વાયુના અણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણ બળો ખૂબ નબળા હોય છે, તેથી વાયુના અણુઓ એકબીજા સાથે ચોંટી શકતા નથી. ગતિ કરતી વખતે, પાણીના અણુઓની ગતિ હોય છે. કેટલાક પાણીના અણુઓની ગતિ ઊંચી હોય છે, જ્યારે અન્યની ગતિ ઓછી હોય છે. પાણીના અણુઓની ગતિનું વિતરણ મેક્સવેલ વિતરણ જેવું લાગે છે.
બાષ્પીભવન ત્યારે થાય છે જ્યારે પાણીના અણુઓની ગતિ એટલી મોટી હોય છે કે પાણીના અણુઓ વચ્ચેનું આકર્ષણ બળ તેમને એકસાથે પકડી શકતું નથી. અવકાશમાં ગતિ કરતા રોકેટની જેમ, રોકેટની ગતિ એટલી મોટી હોય છે કે પૃથ્વીનું ગુરુત્વાકર્ષણ બળ તેને પૃથ્વી પર રહેવાથી રોકી શકતું નથી. એ નોંધવું જોઈએ કે જે અણુઓની ગતિ વધુ હોય છે તે જ અણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણ બળોથી છટકી શકે છે. નાની ગતિવાળા અણુઓ હજુ પણ ભેગા થઈને પાણી બનાવે છે.
પાણીના અણુઓમાં દળ અને ગતિ અથવા વેગ હોય છે તેથી પાણીના અણુઓમાં ગતિ ઊર્જા હોય છે (EK = 1/2 mv 2 ). ઊંચી ગતિ ધરાવતા પાણીના અણુઓમાં ઓછી ગતિ ધરાવતા પાણીના અણુઓ કરતાં વધુ ગતિ ઊર્જા હોય છે. આમ, એવું કહી શકાય કે અણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણ બળો (વરાળમાં ફેરવાતા પાણીના અણુઓ) થી બચી શકે તેવા પાણીના અણુઓમાં ગતિ ઊર્જા ખૂબ મોટી હોય છે. સામાન્ય રીતે પાણીનું તાપમાન વધતાં પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જા વધે છે. જો પાણીનું તાપમાન પૂરતું ઊંચું હોય, તો પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જા વધે છે. આમ, વધુ પાણી વરાળમાં ફેરવાશે. આ સંશોધન પરિણામો અનુસાર છે જે દર્શાવે છે કે બાષ્પીભવનનો દર સામાન્ય રીતે ઊંચા તાપમાને વધારે હોય છે.
જ્યારે આપણે ભીના કપડાં સૂર્યમાં સૂકવીએ છીએ, ત્યારે ભીના કપડાં સૂર્ય દ્વારા ઉત્સર્જિત ગરમીને શોષી લે છે. સૂર્યમાંથી વધારાની ઉર્જા કપડાંમાં રહેલા પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જામાં વધારો કરે છે. ગતિ ઊર્જા વધવાને કારણે, પાણીના અણુઓ ઝડપથી આગળ વધે છે (પાણીના અણુઓની ગતિ વધે છે). એકવાર તેમની ગતિ અથવા ગતિ ઊર્જા ચોક્કસ મૂલ્ય સુધી પહોંચી જાય, પછી પાણીના અણુઓ પાણીના અણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણ બળોથી છટકી શકે છે, અને પછી વરાળમાં ફેરવાઈ શકે છે. એ નોંધવું મહત્વપૂર્ણ છે કે ભીના કપડાંને સૂકવવા પર ફક્ત સૂર્યની વધારાની ગરમીનો જ પ્રભાવ પડતો નથી. ભીના કપડાં કપડાંની આસપાસની ગરમ હવામાંથી વધારાની ગરમી (હવામાંથી ભીના કપડાંમાં વહન દ્વારા ગરમીનું ટ્રાન્સફર) ને કારણે પણ સુકાઈ શકે છે.
ગરમ દિવસે, જમીન અથવા ફ્લોર વધુ ઝડપથી ગરમ થાય છે. જમીન ઝડપથી ગરમ થાય છે કારણ કે તેની ચોક્કસ ગરમી ઘણી મોટી હોય છે. જમીન તેની ઉપરની હવાને ગરમ કરે છે (આ કિસ્સામાં, ગરમીનું સ્થાનાંતરણ વહન દ્વારા થાય છે). ગરમ હવા વિસ્તરે છે (તેની ઘનતા ઘટે છે) અને ઉપર તરફ ખસે છે. જ્યારે તે ભીના કપડાં ઉપરથી પસાર થાય છે, ત્યારે હવાના અણુઓ કપડાંમાં રહેલા પાણીના અણુઓ સાથે અથડાય છે. પાણીના અણુઓ ઝડપથી આગળ વધે છે. કારણ કે તેઓ ઝડપથી આગળ વધે છે, પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જા વધે છે. ઝડપથી ગતિશીલ પાણીના અણુઓ અન્ય પાણીના અણુઓ સાથે અથડાય છે. કારણ કે તેઓ સતત હવાના અણુઓ સાથે અથડાય છે, પાણીના અણુઓ ઝડપથી આગળ વધે છે (તેમની ગતિ ઊર્જા વધે છે).
એકવાર તેમની ગતિ અથવા ગતિ ઊર્જા ચોક્કસ મૂલ્ય સુધી પહોંચી જાય, પછી ઝડપથી ગતિશીલ પાણીના અણુઓ પરમાણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણમાંથી છટકી શકે છે અને વરાળમાં ફેરવાઈ શકે છે... પાણીના અણુઓ અથવા હવાના અણુઓની ગતિ ઊર્જા તાપમાન સાથે ગાઢ રીતે સંબંધિત છે. જો પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જા મોટી હોય, તો તે જ સમયે પાણીનું તાપમાન ઊંચું હોય છે. અથવા ઊલટું, જ્યારે પાણીનું તાપમાન ઊંચું હોય છે, ત્યારે પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જા મોટી હોવી જોઈએ. ગતિ ઊર્જા પણ ગતિ સાથે સંબંધિત છે. પરમાણુઓની ગતિ ઊર્જા જેટલી વધારે હશે, પરમાણુઓની ગતિ ઊર્જા એટલી જ વધારે હશે. અથવા તેનાથી વિપરીત, પરમાણુઓની ગતિ જેટલી વધારે હશે, પરમાણુઓની ગતિ ઊર્જા એટલી જ વધારે હશે.
ગરમ પાણીનું શું? ગરમ પાણીનું તાપમાન ઊંચું હોય છે. પાણીનું તાપમાન ઊંચું હોવાથી, પાણીમાં રહેલા પાણીના અણુઓમાં સરેરાશ ગતિ ઊર્જા મોટી હોય છે. પાણીના અણુઓની સરેરાશ ગતિ ઊર્જા મોટી હોવાથી, ઘણા પાણીના અણુઓમાં ઊંચી ગતિ હોય છે (ઘણા પાણીના અણુઓ ઝડપથી ગતિ કરે છે). ઊંચી ગતિ ધરાવતા પાણીના અણુઓ અણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણ બળોથી છટકી શકે છે અને વરાળમાં ફેરવાઈ શકે છે. ફક્ત ઊંચી ગતિ ધરાવતા પાણીના અણુઓ (મોટી ગતિ ઊર્જા ધરાવતા પાણીના અણુઓ) વરાળમાં છટકી જાય છે, જ્યારે ઓછી ગતિ ધરાવતા પાણીના અણુઓ (નાની ગતિ ઊર્જા ધરાવતા પાણીના અણુઓ) વરાળમાં ફેરવાતા નથી. આમ, જ્યારે ઊંચી ગતિ ધરાવતા પાણીના અણુઓ વરાળમાં બદલાય છે, ત્યારે એકસાથે રહેલા પાણીના અણુઓની સરેરાશ ગતિ ઊર્જા નાની થઈ જાય છે. સરેરાશ ગતિ ઊર્જા જેટલી ઓછી હોય છે, પાણીનું તાપમાન ઓછું હોય છે (પાણી ઠંડુ થાય છે). આ સંક્ષિપ્ત વર્ણનના આધારે, એવું કહી શકાય કે બાષ્પીભવન એક ઠંડક પ્રક્રિયા છે.
બાષ્પીભવનને કારણે થતી ઠંડક પ્રક્રિયા રોજિંદા જીવનમાં એક સામાન્ય ઘટના છે. જ્યારે હવા ખૂબ ગરમ હોય છે, ત્યારે શરીર ઘણી ગરમી શોષી લે છે. શરીરનું તાપમાન સતત જાળવવા માટે, શરીર સામાન્ય રીતે પરસેવા દ્વારા ગરમી છોડે છે. કારણ કે પરસેવો સૂર્ય અને આસપાસની હવામાંથી વધારાની ગરમી મેળવે છે, તેથી પરસેવાના અણુઓની ગતિ ઊર્જા વધે છે. કારણ કે પરસેવાના અણુઓની ગતિ ઊર્જા વધે છે, તેથી પરસેવાના અણુઓની ગતિ વધે છે. પરસેવાના અણુઓ વરાળમાં ફેરવાય છે. જ્યારે પરસેવો બાષ્પીભવન થાય છે, ત્યારે શરીર ઠંડુ અનુભવે છે. અહીં બીજું ઉદાહરણ છે... સામાન્ય રીતે સ્નાન કર્યા પછી, આપણું શરીર ઠંડુ અનુભવે છે. આનું કારણ એ છે કે ત્વચાની સપાટી પર ચોંટેલું પાણી બાષ્પીભવનમાંથી પસાર થાય છે.
ઉપર વર્ણવેલ બાષ્પીભવન પ્રક્રિયા દરરોજ થાય છે. દરિયાનું પાણી, તળાવનું પાણી અને નદીનું પાણી પણ બાષ્પીભવન થઈ શકે છે...
બાષ્પ દબાણ
અહીં વરાળનો અર્થ પાણીની વરાળ છે. ચિત્રનું અવલોકન કરો. પાણીથી ભરેલું બંધ પાત્ર (ધારો કે પાત્રમાંની હવા દૂર કરવામાં આવી છે). ગતિ સિદ્ધાંત મુજબ, પાણીના અણુઓ હંમેશા ગતિશીલ હોય છે. ગતિશીલતા દરમિયાન, પાણીના અણુઓમાં ગતિ અને ગતિ ઊર્જા હોય છે. પૂરતી ગતિ અને ગતિશીલ ઊર્જા ધરાવતા પાણીના અણુઓ પાણીના અણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણ બળોથી છટકી શકે છે અને વરાળમાં ફેરવાઈ શકે છે... આ જ પ્રક્રિયા તેની બાજુના પાત્રમાં પાણીના અણુઓ સાથે થાય છે. જેમ જેમ સમય પસાર થાય છે, તેમ તેમ વધુને વધુ પાણીના અણુઓ વરાળમાં ફેરવાઈ જાય છે. કારણ કે પાત્ર બંધ હોય છે, વરાળમાં ફેરવાયેલા પાણીના અણુઓ વાતાવરણમાં છટકી શકતા નથી (પરમાણુઓ પાત્રમાં ફસાઈ જાય છે). વરાળમાં ફેરવાતા પાણીના અણુઓની સંખ્યા એટલી મોટી છે કે અણુઓ અને પાત્રની દિવાલો વચ્ચે અથડામણ થવાની શક્યતા રહે છે.
પાત્રની દિવાલો સાથે અથડાતા કેટલાક અણુઓ પાણીની સપાટી પર પાછા પ્રતિબિંબિત થશે અને ભેગા થઈને પાણી બનશે. આ પ્રક્રિયા સતત પુનરાવર્તિત થશે. જેમ જેમ સમય પસાર થશે, તેમ તેમ વધુને વધુ પાણીના અણુઓ વરાળમાં ફેરવાશે (પ્રવાહીમાંથી વરાળમાં બદલાશે). તે જ સમયે, પાત્રની દિવાલો સાથે અથડાતા કેટલાક અણુઓ પાછા પાણીમાં ફેરવાશે (વરાળમાંથી પ્રવાહીમાં બદલાશે). જો પ્રવાહીમાંથી વરાળમાં બદલાતા અણુઓની સંખ્યા વરાળમાંથી પ્રવાહીમાં બદલાતા અણુઓની સંખ્યા જેટલી હોય, તો સંતુલન થશે. જ્યારે સંતુલન થાય છે, ત્યારે વરાળ ધરાવતા પાત્રનો ઉપરનો ભાગ સંતૃપ્ત કહેવાય છે... સંતૃપ્ત પ્રદેશમાં વરાળ દબાણને સંતૃપ્ત વરાળ દબાણ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
પ્રવાહીમાંથી બાષ્પમાં પરિવર્તનને બાષ્પીભવન કહેવામાં આવે છે. બાષ્પમાંથી પ્રવાહીમાં પરિવર્તનને ઘનીકરણ કહેવામાં આવે છે. નોંધ કરો કે સંતૃપ્ત બાષ્પ દબાણ ફક્ત તાપમાન પર આધાર રાખે છે, કદ પર નહીં. જેમ જેમ પાણીનું તાપમાન વધે છે, પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જા વધે છે.
પાણીના અણુઓની ગતિ ઊર્જા વધે છે જેથી પાણીના અણુઓની ગતિ વધવી જ જોઈએ. આ રીતે, વધુને વધુ અણુઓ ઊંચી ગતિ સાથે વરાળમાં ફેરવાશે (પ્રવાહી સ્થિતિથી વરાળમાં બદલાશે). કારણ કે પાત્રનું કદ નિશ્ચિત છે, વરાળ દબાણ ફક્ત અણુઓની સંખ્યા (N) અને ગતિ (v) પર આધાર રાખે છે.
જેટલા વધુ અણુઓ (મોટા N) બાષ્પમાં રૂપાંતરિત થાય છે અને આ અણુઓની ગતિ (v જેટલી મોટી) હોય છે, તેટલું જ બાષ્પ દબાણ વધે છે. આમ, ઊંચા બાષ્પ દબાણ પર સંતુલન બનશે. તેથી, સંતૃપ્ત બાષ્પ દબાણ પણ વધશે. સંતુલન પ્રાપ્ત થાય ત્યારે જ સંતૃપ્ત બાષ્પ દબાણ અસ્તિત્વમાં રહે છે. નીચે તાપમાન સાથે પાણીના સંતૃપ્ત બાષ્પ દબાણમાં ફેરફાર દર્શાવે છે.
બાષ્પ દબાણ વોલ્યુમ પર આધાર રાખે છે, પરંતુ સંતૃપ્ત બાષ્પ દબાણ નથી. જો કન્ટેનરનું કદ વધે અથવા ઘટે, તો સંતુલન આખરે પ્રાપ્ત થશે. ઉપરોક્ત ચિત્ર ફક્ત વાતાવરણમાં થતા સંતૃપ્ત બાષ્પ દબાણને સમજવા માટે તમને માર્ગદર્શન આપવા માટે છે. તફાવત એ છે કે, અગાઉના ચિત્રમાં, આપણે ધાર્યું હતું કે કન્ટેનરના જે ભાગમાં પાણી ન હતું ત્યાં કોઈ હવા નહોતી. તેથી, કન્ટેનરનો જે ભાગ પાણી ન હતો તે ફક્ત પાણીની વરાળથી ભરેલો હતો. તેનાથી વિપરીત, પૃથ્વીની સપાટી હંમેશા હવાથી ભરેલી રહે છે. વરાળના અણુઓ અને અન્ય ગેસ અણુઓ વચ્ચેની અથડામણ માત્ર સંતુલનને સંતુલન સુધી પહોંચવામાં લાગતા સમયને લંબાવે છે. જો કે, સંતુલન આખરે ત્યારે પ્રાપ્ત થશે જ્યારે વરાળમાં ફેરવાતા પાણીના અણુઓની સંખ્યા પાણીમાં ફેરવાતા વરાળના અણુઓની સંખ્યા જેટલી હશે.
