भाप

वाष्पीकरण की प्रक्रिया को गति 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 बिखर नहीं सकते क्योंकि अणुओं के बीच का आकर्षण उन्हें आपस में बांधे रखता है। इसके विपरीत, गैस के अणुओं के बीच का आकर्षण कमजोर होता है, इसलिए वे आपस में जुड़ नहीं सकते। गतिमान होने पर जल के अणुओं में वेग होता है। कुछ जल के अणु बहुत तेज गति से चलते हैं; कुछ का वेग कम होता है। जल के 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। अंतरिक्ष में जाने वाले रॉकेटों की तरह, जब रॉकेट की गति इतनी अधिक हो जाती है कि पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण बल उसे पृथ्वी पर स्थिर नहीं रख पाता, तब वाष्पीकरण होता है। ध्यान दें कि केवल तीव्र गति वाले अणु ही अणुओं के बीच के आकर्षण बल से मुक्त हो सकते हैं। धीमी गति वाले अणु आपस में बंधे रहते हैं, जैसे कि जल।

जल के अणुओं में द्रव्यमान और वेग होता है, इसलिए उनमें गतिज ऊर्जा होती है (EK = 1/2 m v2)। उच्च गति वाले जल अणुओं की गतिज ऊर्जा धीमी 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 से मुक्त हो सकते हैं (वाष्प में परिवर्तित होने वाले जल अणु) उनमें पर्याप्त 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 वाष्प में परिवर्तित हो जाएगा। यह शोध के परिणामों के अनुरूप है जो दर्शाता है 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 ऊर्जा के कारण कपड़ों में मौजूद जल अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। गतिज ऊर्जा बढ़ने से जल अणु तेजी से गति करते हैं (जल अणुओं की गति बढ़ जाती है)। गति या गतिज ऊर्जा एक निश्चित मान तक पहुँचने के बाद, जल अणु आपस में जुड़े आकर्षण से मुक्त हो जाते हैं और भाप में परिवर्तित हो जाते हैं। कृपया ध्यान दें कि गीले कपड़ों का सूखना केवल सूर्य से प्राप्त ऊष्मा के कारण ही नहीं होता। गीले कपड़े आसपास की गर्म हवा से भी सूख सकते हैं (ऊष्मा का संचरण हवा से गीले कपड़ों तक होता है)।

गर्मी के दिनों में ज़मीन गर्म हो जाती है। ज़मीन ऊपर की हवा को गर्म करती है (इस स्थिति में, ऊष्मा का स्थानांतरण चालन द्वारा होता है)। गर्म हवा फैलती है (घनत्व कम हो जाता है) और ऊपर की ओर बढ़ती है। गीले कपड़ों के ऊपर से गुजरते समय, पानी के अणु कपड़ों के अंदर मौजूद अन्य अणुओं से टकराते हैं। पानी के अणु तेज़ी से गति करते हैं, जिससे उनकी गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। तेज़ी से गति करने वाले पानी के अणु अन्य अणुओं से टकराते हैं। हवा के अणुओं द्वारा लगातार टकराने के कारण, पानी के अणु और तेज़ी से गति करते हैं (गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है)। एक बार गति या गतिज ऊर्जा एक निश्चित मान तक पहुँच जाने पर, तेज़ी से गति करने वाले पानी के अणु अणुओं के बीच के आकर्षण से मुक्त होकर भाप में बदल जाते हैं। पानी के अणुओं की गतिज ऊर्जा तापमान से घनिष्ठ रूप से संबंधित होती है। यदि पानी के अणुओं की गतिज ऊर्जा अधिक है, तो पानी का तापमान भी अधिक होता है। या इसके विपरीत, जब पानी का तापमान अधिक होता है, तो पानी के अणुओं की गतिज ऊर्जा भी अधिक होनी चाहिए। गतिज ऊर्जा गति से भी संबंधित होती है। अणु की गतिज ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उसकी गति उतनी ही अधिक होगी। या इसके विपरीत, अणु की गति जितनी अधिक होगी, उसकी गतिज ऊर्जा भी उतनी ही अधिक होगी।

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

वाष्पीकरण के कारण होने वाली ठंडक का अनुभव हम रोजमर्रा की जिंदगी में हमेशा करते हैं। जब हवा काफी गर्म होती है, तो शरीर बहुत सारी गर्मी सोख लेता है। शरीर का तापमान स्थिर रखने के लिए, शरीर आमतौर पर पसीने के माध्यम से गर्मी छोड़ता है। क्योंकि पसीना सूरज और आसपास की हवा से अतिरिक्त गर्मी सोख लेता है, इसलिए पसीने के अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। जैसे-जैसे पसीने के अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ती है, उनकी गति भी बढ़ जाती है। पसीने के अणु भाप में बदल जाते हैं। जब पसीना वाष्पित हो जाता है, तो शरीर को ठंडक महसूस होती है।

आम तौर पर, नहाने के बाद हमारे शरीर को ठंडक महसूस होती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि त्वचा की सतह पर लगा पानी वाष्पीकरण की प्रक्रिया से गुजरता है।

पहले वर्णित वाष्पीकरण की प्रक्रिया हर दिन होती है। समुद्र का पानी, झील का पानी, 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 के अंदर की 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 ऊर्जा होती है। वेग और उच्च गतिज ऊर्जा वाले जल के अणु आपस में लगे आकर्षण बल से मुक्त होकर भाप में परिवर्तित हो जाते हैं।

किसी पात्र में जल के अणुओं के साथ भी यही प्रक्रिया होती है। समय बीतने के साथ-साथ, अधिकाधिक जल अणु भाप में परिवर्तित होते जाते हैं। क्योंकि पात्र बंद है, इसलिए भाप में परिवर्तित जल अणु वायुमंडल में नहीं निकल पाते (वे पात्र में ही फंसे रहते हैं)। वाष्प में परिवर्तित होने वाले जल अणुओं की मात्रा काफी अधिक होती है, इसलिए पात्र की दीवारों से अणुओं के टकराने की संभावना बनी रहती है।

बर्तन की दीवारों से टकराने वाले कुछ अणु पानी की सतह की ओर परावर्तित होकर पानी में विलीन हो जाते हैं। यह प्रक्रिया लगातार चलती रहती है। समय बीतने के साथ, अधिक से अधिक जल अणु भाप में परिवर्तित हो जाते हैं (द्रव से वाष्प में बदल जाते हैं)। साथ ही, बर्तन की दीवारों से टकराने वाले कुछ अणु फिर से पानी में परिवर्तित हो जाते हैं (भाप 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, गैस से भरे बर्तन का ऊपरी भाग संतृप्त कहलाता है। संतृप्त क्षेत्र में वाष्प दाब को संतृप्त वाष्प दाब कहा जाता है।

द्रव से वाष्प में परिवर्तन को वाष्पीकरण कहते हैं। वहीं, भाप से द्रव में परिवर्तन को संघनन कहते हैं। ध्यान दें कि संतृप्त वाष्प दाब केवल तापमान पर निर्भर करता है, आयतन पर नहीं। जल का तापमान बढ़ने पर जल के अणुओं की गतिज ऊर्जा भी बढ़ जाती है।

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

जितने अधिक अणु भाप में परिवर्तित होते हैं और अणुओं की गति जितनी अधिक होती है, वाष्प दाब उतना ही बढ़ता है। इस प्रकार, संतुलन उच्च वाष्प दाब पर ही स्थापित होगा। अतः, संतृप्त वाष्प दाब भी अधिक होता है। संतृप्त वाष्प दाब केवल संतुलन स्थापित होने पर ही मौजूद होता है।

वाष्प दाब आयतन पर निर्भर करता है, लेकिन संतृप्त वाष्प दाब आयतन पर निर्भर नहीं करता। यदि पात्र का आयतन बढ़ता या घटता है, तो संतुलन स्थापित हो जाएगा। ऊपर दिए गए उदाहरण से आपको वायुमंडल में पाए जाने वाले संतृप्त वाष्प दाब को समझने में मदद मिलेगी। अंतर यह है कि पिछले उदाहरण में, हमने मान लिया है कि पात्र के जिस भाग में पानी नहीं है, उसमें पानी नहीं है। इसलिए, पात्र का वह भाग जिसमें पानी नहीं है, केवल जल वाष्प से भरा हुआ है। दूसरी ओर, पृथ्वी की सतह हमेशा हवा से भरी रहती है। भाप के अणुओं और अन्य गैसों के अणुओं के बीच टकराव से संतुलन की अवधि बढ़ जाती है। हालांकि, एक निश्चित बिंदु पर संतुलन स्थापित हो जाएगा यदि भाप में परिवर्तित होने वाले जल के अणुओं की संख्या जल में परिवर्तित होने वाले वाष्प के अणुओं की संख्या के बराबर हो।