Kinetička teorija
Proces isparavanja može se objasniti kinetičkom teorijom. Poput molekula plina, i molekule vode se kreću. Razlika je u tome što se molekule vode ne mogu razdvojiti jer ih privlačne sile među njima i dalje drže zajedno. Nasuprot tome, privlačne sile između molekula plina su vrlo slabe, pa se molekule plina ne mogu držati zajedno. Pri kretanju, molekule vode imaju brzinu. Neke molekule vode imaju velike brzine, dok druge imaju male brzine. Raspodjela brzina molekula vode nalikuje Maxwellovoj distribuciji.
Isparavanje se događa kada je brzina molekula vode dovoljno velika da ih privlačna sila između molekula vode ne može držati zajedno. Slično raketi koja se kreće u svemir, brzina rakete je dovoljno velika da je Zemljina gravitacijska sila ne može spriječiti da ostane na Zemlji. Treba napomenuti da samo molekule koje imaju velike brzine mogu pobjeći od privlačnih sila između molekula. Molekule s malim brzinama i dalje se spajaju i tvore vodu.
Molekule vode imaju masu i brzinu ili brzinu tako da molekule vode imaju kinetičku energiju (EK = 1/2 mv 2 ). Molekule vode koje imaju velike brzine imaju veću kinetičku energiju od molekula vode koje imaju male brzine. Stoga se može reći da molekule vode koje mogu izbjeći privlačne sile među molekulama (molekule vode koje se pretvaraju u paru) imaju prilično veliku kinetičku energiju. Obično se kinetička energija molekula vode povećava s porastom temperature vode. Ako je temperatura vode dovoljno visoka, kinetička energija molekula vode se povećava. Stoga će se više vode pretvoriti u paru. To je u skladu s rezultatima istraživanja koji pokazuju da je brzina isparavanja obično veća na visokim temperaturama.
Kada sušimo mokru odjeću na suncu, ona apsorbira toplinu koju sunce emitira. Dodatna energija sunca uzrokuje povećanje kinetičke energije molekula vode u odjeći. Budući da se kinetička energija povećava, molekule vode kreću se brže (brzina molekula vode se povećava). Nakon što njihova brzina ili kinetička energija dosegne određenu vrijednost, molekule vode mogu pobjeći od privlačnih sila između molekula vode, a zatim se pretvoriti u paru. Važno je napomenuti da na sušenje mokre odjeće ne utječe samo dodatna toplina sunca. Mokra odjeća se može sušiti i zbog dodatne topline toplog zraka oko odjeće (toplina se prenosi provođenjem sa zraka na mokru odjeću).
Za vrućeg dana, tlo ili pod se brže zagrijavaju. Tlo se brzo zagrijava jer mu je specifična toplina prilično velika. Tlo zagrijava zrak iznad sebe (u ovom slučaju, prijenos topline događa se kondukcijom). Vrući zrak se širi (njegova gustoća se smanjuje) i kreće se prema gore. Kada prolazi preko mokre odjeće, molekule zraka sudaraju se s molekulama vode u odjeći. Molekule vode kreću se brže. Budući da se kreću brže, kinetička energija molekula vode se povećava. Brzo se krećuće molekule vode sudaraju s drugim molekulama vode. Budući da se kontinuirano sudaraju s molekulama zraka, molekule vode kreću se brže (njihova kinetička energija se povećava).
Nakon što njihova brzina ili kinetička energija dosegne određenu vrijednost, brzo se krećuće molekule vode mogu izbjeći privlačenje među molekulama i pretvoriti se u paru... Kinetička energija molekula vode ili molekula zraka usko je povezana s temperaturom. Ako je kinetička energija molekula vode velika, tada je istovremeno i temperatura vode visoka. Ili obrnuto, kada je temperatura vode visoka, kinetička energija molekula vode mora biti velika. Kinetička energija također je povezana s brzinom. Što je veća kinetička energija molekula, to je veća brzina molekula. Ili obrnuto, što je veća brzina molekula, to je veća kinetička energija molekula.
Što je s vrućom vodom? Vruća voda ima visoku temperaturu. Budući da je temperatura vode visoka, molekule vode u vodi imaju veliku prosječnu kinetičku energiju. Budući da je prosječna kinetička energija molekula vode velika, mnoge molekule vode imaju velike brzine (mnoge molekule vode se brzo kreću). Molekule vode koje imaju veliku brzinu mogu se osloboditi privlačnih sila između molekula i pretvoriti se u paru. Samo molekule vode s velikom brzinom (molekule vode s velikom kinetičkom energijom) izlaze u paru, dok molekule vode s malom brzinom (molekule vode s malom kinetičkom energijom) ne prelaze u paru. Dakle, kada se molekule vode s velikom brzinom pretvore u paru, prosječna kinetička energija molekula vode koje ostaju zajedno postaje manja. Što je manja prosječna kinetička energija, to je niža temperatura vode (voda postaje hladnija). Na temelju ovog kratkog opisa može se reći da je isparavanje proces hlađenja.
Proces hlađenja uzrokovan isparavanjem uobičajena je pojava u svakodnevnom životu. Kada je zrak prilično vruć, tijelo apsorbira puno topline. Kako bi održalo konstantnu tjelesnu temperaturu, tijelo obično oslobađa toplinu putem znoja. Budući da znoj prima dodatnu toplinu od sunca i okolnog zraka, kinetička energija molekula znoja se povećava. Budući da se kinetička energija molekula znoja povećava, povećava se i brzina molekula znoja. Molekule znoja pretvaraju se u paru. Kada znoj isparava, tijelo se osjeća hladno. Evo još jednog primjera... Obično se nakon tuširanja naše tijelo osjeća hladno. To je zato što voda koja se lijepi za površinu kože isparava.
Proces isparavanja opisan gore događa se svaki dan. Morska voda, jezerska voda i riječna voda također mogu isparavati…
Tlak pare
Ovdje se pod parom misli na vodenu paru. Promatrajte sliku. Zatvorena posuda napunjena vodom (pretpostavimo da je zrak iz posude uklonjen). Prema kinetičkoj teoriji, molekule vode se uvijek kreću. Pri kretanju, molekule vode imaju brzinu i kinetičku energiju. Molekule vode koje imaju dovoljnu brzinu i kinetičku energiju mogu se osloboditi privlačnih sila između molekula vode i pretvoriti se u paru... Isti se proces događa s molekulama vode u posudi pored nje. S vremenom se sve više molekula vode pretvara u paru. Budući da je posuda zatvorena, molekule vode koje su se pretvorile u paru ne mogu izaći u atmosferu (molekule su zarobljene u posudi). Broj molekula vode koje se pretvaraju u paru dovoljno je velik da postoji mogućnost sudara između molekula i stijenki posude.
Neke od molekula koje udare u stijenke posude reflektirat će se natrag na površinu vode i kombinirati se u vodu. Ovaj se proces kontinuirano ponavlja. S vremenom će se sve više molekula vode pretvoriti u paru (pretvoriti se iz tekućine u paru). Istovremeno, neke od molekula koje udare u stijenke posude pretvorit će se natrag u vodu (pretvoriti se iz pare u tekućinu). Ako je broj molekula koje prelaze iz tekućine u paru jednak broju molekula koje prelaze iz pare u tekućinu, tada će se uspostaviti ravnoteža. Kada se uspostavi ravnoteža, kaže se da je vrh posude koja sadrži paru zasićen... Tlak pare u zasićenom području poznat je kao tlak zasićene pare.
Prijelaz iz tekućine u paru naziva se isparavanje. Prijelaz iz pare u tekućinu naziva se kondenzacija. Imajte na umu da tlak zasićene pare ovisi samo o temperaturi, a ne o volumenu. Kako temperatura vode raste, kinetička energija molekula vode se povećava.
Kinetička energija molekula vode se povećava tako da se brzina molekula vode mora povećati. Na taj način, sve više i više molekula s velikom brzinom pretvarat će se u paru (mijenjati stanje iz tekućine u paru). Budući da je volumen spremnika fiksan, tlak pare ovisi samo o broju molekula (N) i brzini (v).
Što se više molekula (veći N) pretvara u paru i što je veća brzina tih molekula (veći v), to se više povećava tlak pare. Stoga će se ravnoteža postići pri višem tlaku pare. Stoga će se povećati i tlak zasićene pare. Tlak zasićene pare postoji samo kada se postigne ravnoteža. Sljedeća slika prikazuje promjenu tlaka zasićene pare vode s temperaturom.
Tlak pare ovisi o volumenu, ali tlak zasićene pare ne. Ako se volumen spremnika povećava ili smanjuje, na kraju će se postići ravnoteža. Gornja ilustracija služi samo kao vodič za razumijevanje tlaka zasićene pare koji se javlja u atmosferi. Razlika je u tome što smo na prethodnoj ilustraciji pretpostavili da u dijelu spremnika koji nije sadržavao vodu nema zraka. Stoga je dio spremnika koji nije sadržavao vodu bio zauzet samo vodenom parom. Nasuprot tome, Zemljina površina uvijek je ispunjena zrakom. Sudari između molekula pare i drugih molekula plina samo produžuju vrijeme potrebno da ravnoteža postigne ravnotežu. Međutim, ravnoteža će se na kraju postići kada broj molekula vode koje se pretvaraju u paru bude jednak broju molekula pare koje se pretvaraju u vodu.
