वाष्पीकरण

काइनेटिक सिद्धांत

वाष्पीकरण की प्रक्रिया को गतिज सिद्धांत का उपयोग करके समझाया जा सकता है। गैस के अणुओं की तरह, जल के अणु भी गतिमान होते हैं। अंतर यह है कि जल के अणु अलग नहीं हो सकते क्योंकि उनके बीच का आकर्षण बल उन्हें आपस में बांधे रखता है। इसके विपरीत, गैस के अणुओं के बीच का आकर्षण बल बहुत कमजोर होता है, इसलिए गैस के अणु आपस में चिपक नहीं सकते। गतिमान होने पर जल के अणुओं की गति होती है। कुछ जल अणुओं की गति अधिक होती है, जबकि अन्य की कम। जल अणुओं के वेग का वितरण मैक्सवेल वितरण के समान होता है।

वाष्पीकरण तब होता है जब जल के अणुओं की गति इतनी अधिक हो जाती है कि उनके बीच का आकर्षण बल उन्हें आपस में बांधे रखने में असमर्थ हो जाता है। ठीक उसी प्रकार जैसे अंतरिक्ष में जाते हुए रॉकेट की गति इतनी अधिक होती है कि पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण बल उसे पृथ्वी पर टिके रहने से नहीं रोक पाता। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि केवल वे अणु जिनकी गति अधिक होती है, वे ही अणुओं के बीच के आकर्षण बल से मुक्त हो पाते हैं। कम गति वाले अणु भी आपस में मिलकर जल का निर्माण करते हैं।

जल के अणुओं में द्रव्यमान और गति होती है, जिसके कारण उनमें गतिज ऊर्जा होती है (EK = 1/2 mv² ⁾ । अधिक गति वाले जल अणुओं की गतिज ऊर्जा कम गति वाले जल अणुओं की तुलना में अधिक होती है। अतः यह कहा जा सकता है कि वे जल अणु जो अणुओं के बीच आकर्षण बल से मुक्त हो सकते हैं (वे जल अणु जो भाप में परिवर्तित हो जाते हैं) उनमें काफी अधिक गतिज ऊर्जा होती है। आमतौर पर जल के तापमान में वृद्धि के साथ जल अणुओं की गतिज ऊर्जा भी बढ़ती है। यदि जल का तापमान पर्याप्त रूप से उच्च हो, तो जल अणुओं की गतिज ऊर्जा और भी बढ़ जाती है। इस प्रकार, अधिक जल भाप में परिवर्तित हो जाएगा। यह शोध परिणामों के अनुरूप है जो दर्शाते हैं कि उच्च तापमान पर वाष्पीकरण की दर आमतौर पर अधिक होती है।

जब हम गीले कपड़ों को धूप में सुखाते हैं, तो गीले कपड़े सूर्य से निकलने वाली ऊष्मा को अवशोषित कर लेते हैं। सूर्य से प्राप्त अतिरिक्त ऊर्जा के कारण कपड़ों में मौजूद जल अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। गतिज ऊर्जा बढ़ने से जल अणु तेजी से गति करने लगते हैं (उनकी गति बढ़ जाती है)। एक निश्चित मान तक पहुँचने पर, जल अणु आपस में लगने वाले आकर्षण बल से मुक्त हो जाते हैं और भाप में परिवर्तित हो जाते हैं। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि गीले कपड़ों का सूखना केवल सूर्य से प्राप्त अतिरिक्त ऊष्मा के कारण ही नहीं होता। गीले कपड़े आसपास की गर्म हवा से भी सूख सकते हैं (ऊष्मा का स्थानांतरण हवा से गीले कपड़ों तक चालन द्वारा होता है)।

गर्मी के दिनों में ज़मीन या फर्श जल्दी गर्म हो जाता है। ज़मीन जल्दी गर्म होती है क्योंकि उसकी विशिष्ट ऊष्मा काफी अधिक होती है। ज़मीन अपने ऊपर की हवा को गर्म करती है (इस स्थिति में, ऊष्मा का स्थानांतरण चालन द्वारा होता है)। गर्म हवा फैलती है (उसका घनत्व कम हो जाता है) और ऊपर की ओर बढ़ती है। जब यह गीले कपड़ों के ऊपर से गुजरती है, तो हवा के अणु कपड़ों में मौजूद पानी के अणुओं से टकराते हैं। पानी के अणु तेज़ी से चलने लगते हैं। तेज़ी से चलने के कारण पानी के अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। तेज़ी से चलने वाले पानी के अणु अन्य पानी के अणुओं से टकराते हैं। हवा के अणुओं द्वारा लगातार टकराने के कारण पानी के अणु और तेज़ी से चलने लगते हैं (उनकी गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है)।

जब जल के अणुओं की गति या गतिज ऊर्जा एक निश्चित मान तक पहुँच जाती है, तो वे आपस में परस्पर आकर्षण से मुक्त होकर भाप में परिवर्तित हो जाते हैं। जल या वायु के अणुओं की गतिज ऊर्जा तापमान से घनिष्ठ रूप से संबंधित होती है। यदि जल के अणुओं की गतिज ऊर्जा अधिक है, तो जल का तापमान भी अधिक होता है। इसके विपरीत, जब जल का तापमान अधिक होता है, तो जल के अणुओं की गतिज ऊर्जा भी अधिक होती है। गतिज ऊर्जा गति से भी संबंधित होती है। अणुओं की गतिज ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उनकी गति उतनी ही अधिक होगी। या इसके विपरीत, अणुओं की गति जितनी अधिक होगी, उनकी गतिज ऊर्जा भी उतनी ही अधिक होगी।

गर्म पानी के बारे में क्या? गर्म पानी का तापमान अधिक होता है। पानी का तापमान अधिक होने के कारण, उसमें मौजूद अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा अधिक होती है। अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा अधिक होने के कारण, कई अणु तेजी से गति करते हैं। गतिमान अणु आपस में लगने वाले आकर्षण बल से मुक्त होकर भाप में परिवर्तित हो जाते हैं। केवल गतिमान अणु (अधिक गतिज ऊर्जा वाले अणु) ही भाप में परिवर्तित होते हैं, जबकि गतिहीन अणु (कम गतिज ऊर्जा वाले अणु) भाप में परिवर्तित नहीं होते। इस प्रकार, जब गतिमान अणु भाप में परिवर्तित होते हैं, तो शेष अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा कम हो जाती है। औसत गतिज ऊर्जा जितनी कम होगी, पानी का तापमान उतना ही कम होगा (पानी ठंडा हो जाएगा)। इस संक्षिप्त विवरण के आधार पर, यह कहा जा सकता है कि वाष्पीकरण एक शीतलन प्रक्रिया है।

वाष्पीकरण के कारण होने वाली शीतलन प्रक्रिया रोजमर्रा की जिंदगी में आम है। जब हवा काफी गर्म होती है, तो शरीर बहुत अधिक गर्मी सोख लेता है। शरीर का तापमान स्थिर बनाए रखने के लिए, शरीर आमतौर पर पसीने के माध्यम से गर्मी छोड़ता है। चूंकि पसीना सूर्य और आसपास की हवा से अतिरिक्त गर्मी प्राप्त करता है, इसलिए पसीने के अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। गतिज ऊर्जा बढ़ने के कारण, पसीने के अणुओं की गति बढ़ जाती है। पसीने के अणु वाष्प में बदल जाते हैं। जब पसीना वाष्पित हो जाता है, तो शरीर ठंडा महसूस होता है। एक और उदाहरण देखिए... आमतौर पर नहाने के बाद, हमारा शरीर ठंडा महसूस होता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि त्वचा की सतह पर चिपका पानी वाष्पित हो जाता है।

ऊपर वर्णित वाष्पीकरण प्रक्रिया प्रतिदिन होती है। समुद्र का पानी, झील का पानी और नदी का पानी भी वाष्पित हो सकता है…

वाष्प दबाव

यहां भाप से तात्पर्य जलवाष्प से है। चित्र को देखिए। एक बंद पात्र पानी से भरा हुआ है (मान लीजिए कि पात्र से हवा निकाल दी गई है)। गतिज सिद्धांत के अनुसार, जल के अणु हमेशा गतिमान रहते हैं। गति करते समय, जल के अणुओं में गति और गतिज ऊर्जा होती है। पर्याप्त गति और गतिज ऊर्जा वाले जल के अणु आपस में लगने वाले आकर्षण बल से मुक्त होकर भाप में परिवर्तित हो जाते हैं। यही प्रक्रिया पास वाले पात्र में मौजूद जल के अणुओं के साथ भी होती है। समय बीतने के साथ-साथ, अधिक से अधिक जल के अणु भाप में परिवर्तित होते जाते हैं। क्योंकि पात्र बंद है, इसलिए भाप में परिवर्तित जल के अणु वायुमंडल में नहीं निकल सकते (वे पात्र में ही फंसे रहते हैं)। भाप में परिवर्तित होने वाले जल के अणुओं की संख्या इतनी अधिक होती है कि अणुओं और पात्र की दीवारों के बीच टक्कर होने की संभावना रहती है।

बर्तन की दीवारों से टकराने वाले कुछ अणु पानी की सतह पर वापस परावर्तित हो जाते हैं और मिलकर पानी बनाते हैं। यह प्रक्रिया लगातार चलती रहती है। समय बीतने के साथ, अधिक से अधिक पानी के अणु वाष्प में परिवर्तित हो जाते हैं (द्रव से वाष्प में बदल जाते हैं)। साथ ही, बर्तन की दीवारों से टकराने वाले कुछ अणु वापस पानी में परिवर्तित हो जाते हैं (वाष्प से द्रव में बदल जाते हैं)। यदि द्रव से वाष्प में परिवर्तित होने वाले अणुओं की संख्या वाष्प से द्रव में परिवर्तित होने वाले अणुओं की संख्या के बराबर हो, तो संतुलन स्थापित हो जाता है। संतुलन स्थापित होने पर, वाष्प से भरे बर्तन के ऊपरी भाग को संतृप्त कहा जाता है। संतृप्त क्षेत्र में वाष्प दाब को संतृप्त वाष्प दाब कहा जाता है।

द्रव से वाष्प में परिवर्तन को वाष्पीकरण कहते हैं। वाष्प से द्रव में परिवर्तन को संघनन कहते हैं। ध्यान दें कि संतृप्त वाष्प दाब केवल तापमान पर निर्भर करता है, आयतन पर नहीं। जैसे-जैसे जल का तापमान बढ़ता है, जल के अणुओं की गतिज ऊर्जा भी बढ़ती है।

जल के अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ने से उनकी गति भी बढ़ जाती है। इस प्रकार, अधिक से अधिक अणु तीव्र गति से वाष्प में परिवर्तित हो जाते हैं (द्रव अवस्था से वाष्प अवस्था में बदल जाते हैं)। क्योंकि पात्र का आयतन स्थिर रहता है, इसलिए वाष्प दाब केवल अणुओं की संख्या (N) और गति (v) पर निर्भर करता है।

जितने अधिक अणु (N का मान जितना अधिक होगा) वाष्प में परिवर्तित होंगे और इन अणुओं की गति जितनी अधिक होगी (v का मान जितना अधिक होगा), वाष्प दाब उतना ही अधिक बढ़ेगा। इस प्रकार, संतुलन उच्च वाष्प दाब पर स्थापित होगा। अतः, संतृप्त वाष्प दाब भी बढ़ेगा। संतृप्त वाष्प दाब केवल संतुलन स्थापित होने पर ही मौजूद होता है। निम्नलिखित चित्र तापमान के साथ जल के संतृप्त वाष्प दाब में परिवर्तन दर्शाता है।

वाष्प दाब आयतन पर निर्भर करता है, लेकिन संतृप्त वाष्प दाब नहीं। यदि किसी पात्र का आयतन बढ़ता या घटता है, तो अंततः संतुलन स्थापित हो जाएगा। ऊपर दिया गया चित्र केवल वायुमंडल में पाए जाने वाले संतृप्त वाष्प दाब को समझने में आपकी सहायता के लिए है। अंतर यह है कि पिछले चित्र में, हमने यह मान लिया था कि पात्र के उस भाग में हवा नहीं है जिसमें पानी नहीं है। इसलिए, पात्र का वह भाग जिसमें पानी नहीं था, केवल जल वाष्प से भरा हुआ था। इसके विपरीत, पृथ्वी की सतह हमेशा हवा से भरी रहती है। वाष्प के अणुओं और अन्य गैस के अणुओं के बीच टकराव से संतुलन स्थापित होने में लगने वाला समय बढ़ जाता है। हालांकि, अंततः संतुलन तब स्थापित हो जाएगा जब वाष्प में परिवर्तित होने वाले जल के अणुओं की संख्या जल में परिवर्तित होने वाले वाष्प के अणुओं की संख्या के बराबर हो जाएगी।