Hreyfifræði
Uppgufunarferlið má útskýra með hreyfifræði. Eins og gassameindir hreyfast vatnssameindir einnig. Munurinn er sá að vatnssameindir geta ekki aðskilið sig vegna þess að aðdráttarkraftarnir á milli þeirra geta samt haldið þeim saman. Aftur á móti eru aðdráttarkraftarnir milli gassameinda mjög veikir, þannig að gassameindir geta ekki fest sig saman. Þegar vatnssameindir hreyfast hafa þær hraða. Sumar vatnssameindir hafa mikinn hraða, en aðrar hafa lágan hraða. Dreifing hraða vatnssameinda líkist Maxwell-dreifingunni.
Uppgufun á sér stað þegar hraði vatnssameindanna er nógu mikill til að aðdráttarkrafturinn milli vatnssameindanna geti ekki haldið þeim saman. Líkt og eldflaug sem fer út í geiminn, er hraði eldflaugarinnar nógu mikill til að þyngdarkraftur jarðar geti ekki komið í veg fyrir að hún sé á jörðinni. Það skal tekið fram að aðeins sameindir með mikinn hraða geta sloppið undan aðdráttarkraftinum milli sameindanna. Sameindir með lítinn hraða sameinast samt sem áður og mynda vatn.
Vatnsameindir hafa massa og hraða þannig að vatnssameindir hafa hreyfiorku (EK = 1/2 mV).2). Vatnsameindir með miklum hraða hafa meiri hreyfiorku en vatnssameindir með lágum hraða. Því má segja að vatnssameindir sem geta sloppið við aðdráttarkraftinn milli sameinda (vatnsameindir sem breytast í gufu) hafi nokkuð mikla hreyfiorku. Venjulega eykst hreyfiorka vatnssameindanna eftir því sem vatnshitastig hækkar. Ef vatnshitastigið er nógu hátt eykst hreyfiorka vatnssameindanna. Þannig mun meira vatn breytast í gufu. Þetta er í samræmi við rannsóknarniðurstöður sem sýna að uppgufunarhraðinn er venjulega meiri við hátt hitastig.
Þegar við þurrkum blaut föt í sólinni taka þau upp hita sólarinnar. Aukaorka sólarinnar veldur því að hreyfiorka vatnssameindanna í fötunum eykst. Vegna þess að hreyfiorkan eykst hreyfast vatnssameindirnar hraðar (hraði vatnssameindanna eykst). Þegar hraði þeirra eða hreyfiorka nær ákveðnu gildi geta vatnssameindirnar sloppið undan aðdráttarkraftinum milli vatnssameindanna og síðan breyst í gufu. Mikilvægt er að hafa í huga að þurrkun blautra fatnaðar er ekki aðeins undir áhrifum aukins hita sólarinnar. Blaut föt geta einnig þornað vegna aukins hita frá heita loftinu í kringum fötin (varmaleiðsla með leiðni frá loftinu til blautu fatnaðarins).
Á heitum degi hitnar jörðin eða gólfið hraðar. Jörðin hitnar hratt vegna þess að eðlisvarmi hennar er nokkuð mikill. Jörðin hitar loftið fyrir ofan sig (í þessu tilfelli á sér stað varmaflutningur með leiðni). Heita loftið þenst út (þéttleiki þess minnkar) og færist upp á við. Þegar það fer yfir blaut föt rekast loftsameindirnar á vatnssameindirnar í fötunum. Vatnsameindirnar hreyfast hraðar. Vegna þess að þær hreyfast hraðar eykst hreyfiorka vatnssameindanna. Hraðhreyfandi vatnssameindirnar rekast á aðrar vatnssameindir. Vegna þess að loftsameindir rekast stöðugt á þær hreyfast vatnssameindirnar hraðar (hreyfiorka þeirra eykst).
Þegar hraði þeirra eða hreyfiorka nær ákveðnu gildi geta vatnssameindirnar, sem hreyfast hratt, sloppið við aðdráttarafl sameindanna og breyst í gufu... Hreyfiorka vatnssameinda eða loftsameinda er nátengd hitastigi. Ef hreyfiorka vatnssameinda er mikil, þá er vatnshitastigið á sama tíma hátt. Eða öfugt, þegar vatnshitastigið er hátt, hlýtur hreyfiorka vatnssameindanna að vera mikil. Hreyfiorka er einnig tengd hraða. Því meiri sem hreyfiorka sameindanna er, því meiri er hraði sameindanna. Eða öfugt, því meiri sem hraði sameindanna er, því meiri er hreyfiorka sameindanna.
Hvað með heitt vatn? Heitt vatn hefur hátt hitastig. Vegna þess að vatnshitastigið er hátt hafa vatnssameindirnar í vatninu mikla meðalhreyfiorku. Vegna þess að meðalhreyfiorka vatnssameindanna er mikil hafa margar vatnssameindir mikinn hraða (margar vatnssameindir hreyfast hratt). Vatnsameindir sem hafa mikinn hraða geta sloppið undan aðdráttarafli milli sameindanna og breyst í gufu. Aðeins vatnssameindir með mikinn hraða (vatnsameindir með mikla hreyfiorku) sleppa út í gufuna, en vatnssameindir með lágan hraða (vatnsameindir með litla hreyfiorku) breytast ekki í gufu. Þannig, þegar vatnssameindir með mikinn hraða breytast í gufu, verður meðalhreyfiorka vatnssameindanna sem sitja saman minni. Því minni sem meðalhreyfiorkan er, því lægra verður vatnshitastigið (vatnið verður kaldara). Byggt á þessari stuttu lýsingu má segja að uppgufun sé kælingarferli.
Kælingarferlið sem uppgufun veldur er algengt í daglegu lífi. Þegar loftið er nokkuð heitt tekur líkaminn upp mikinn hita. Til að viðhalda stöðugum líkamshita losar líkaminn venjulega hita í gegnum svita. Þar sem sviti fær viðbótarhita frá sólinni og umhverfisloftinu eykst hreyfiorka svitasameindanna. Þar sem hreyfiorka svitasameindanna eykst eykst hraði svitasameindanna. Svitasameindirnar breytast í gufu. Þegar sviti gufar upp finnst líkamanum svalt. Hér er annað dæmi... Venjulega finnst líkamanum svalt eftir sturtu. Þetta er vegna þess að vatnið sem festist við yfirborð húðarinnar gufar upp.
Uppgufunarferlið sem lýst er hér að ofan á sér stað á hverjum degi. Sjór, vatn í stöðuvötnum og árfarvegi geta einnig gufað upp…
Gufuþrýstingur
Það sem hér er átt við með gufu er vatnsgufa. Skoðið myndina. Lokað ílát fyllt með vatni (gerið ráð fyrir að loftið í ílátinu hafi verið fjarlægt). Samkvæmt hreyfifræði eru vatnssameindir alltaf á hreyfingu. Þegar vatnssameindir hreyfast hafa þær hraða og hreyfiorku. Vatnsameindir sem hafa nægilega hraða og hreyfiorku geta sloppið undan aðdráttarkraftinum milli vatnssameindanna og breyst í gufu... Sama ferli á sér stað við vatnssameindirnar í ílátinu við hliðina á því. Með tímanum breytast fleiri og fleiri vatnssameindir í gufu. Vegna þess að ílátið er lokað geta vatnssameindirnar sem hafa breyst í gufu ekki sloppið út í andrúmsloftið (sameindirnar eru fastar í ílátinu). Fjöldi vatnssameinda sem breytast í gufu er nógu mikill til að möguleiki sé á árekstri milli sameindanna og veggja ílátsins.
Sumar sameindirnar sem lenda á veggjum ílátsins endurkastast aftur upp á yfirborð vatnsins og sameinast og mynda vatn. Þetta ferli endurtekur sig stöðugt. Með tímanum breytast fleiri og fleiri vatnssameindir í gufu (breytast úr vökva í gufu). Á sama tíma breytast sumar sameindirnar sem lenda á veggjum ílátsins aftur í vatn (breytast úr gufu í vökva). Ef fjöldi sameinda sem breytast úr vökva í gufu er jafn fjöldi sameinda sem breytast úr gufu í vökva, þá næst jafnvægi. Þegar jafnvægi næst er sagt að efri hluti ílátsins sem inniheldur gufu sé mettaður... Gufuþrýstingurinn á mettuðu svæðinu er þekktur sem mettaður gufuþrýstingur.
Breytingin úr vökva í gufu kallast uppgufun. Breytingin úr gufu í vökva kallast þétting. Athugið að mettuð gufuþrýstingur er aðeins háður hitastigi en ekki rúmmáli. Þegar hitastig vatns hækkar eykst hreyfiorka vatnssameindanna.
Hreyfiorka vatnssameindanna eykst þannig að hraði þeirra hlýtur að aukast. Þannig munu fleiri og fleiri sameindir með miklum hraða breytast í gufu (breyta um ástand úr vökva í gufu). Þar sem rúmmál ílátsins er fast, er gufuþrýstingurinn aðeins háður fjölda sameinda (N) og hraða (v).
Því fleiri sameindir (því stærra N) sem breytast í gufu og því meiri sem hraði þessara sameinda er (því stærra v), því meira eykst gufuþrýstingurinn. Þannig mun jafnvægi myndast við hærri gufuþrýsting. Þess vegna mun mettaður gufuþrýstingur einnig aukast. Mettaður gufuþrýstingur er aðeins til staðar þegar jafnvægi er náð. Eftirfarandi sýnir breytingu á mettuðum gufuþrýstingi vatns með hitastigi.
Gufuþrýstingur er háður rúmmáli, en mettaður gufuþrýstingur ekki. Ef rúmmál íláts eykst eða minnkar mun jafnvægi að lokum nást. Myndskreytingin hér að ofan er einfaldlega til að leiðbeina þér til að skilja mettaðan gufuþrýsting sem á sér stað í andrúmsloftinu. Munurinn er sá að í fyrri myndskreytingunni gerðum við ráð fyrir að ekkert loft væri í þeim hluta ílátsins sem innihélt ekki vatn. Þess vegna var sá hluti ílátsins sem innihélt ekki vatn eingöngu upptekinn af vatnsgufu. Þvert á móti er yfirborð jarðar alltaf fyllt af lofti. Árekstrar milli gufusameinda og annarra gassameinda lengja aðeins þann tíma sem það tekur fyrir jafnvægi að ná jafnvægi. Hins vegar mun jafnvægi að lokum nást þegar fjöldi vatnssameinda sem breytast í gufu er jafn fjöldi gufusameinda sem breytast í vatn.
