Кинетикалық теория
Булану процесін кинетикалық теорияны қолдану арқылы түсіндіруге болады. Газ молекулалары сияқты, су молекулалары да қозғалады. Айырмашылығы - су молекулалары ажырай алмайды, себебі олардың арасындағы тартымды күштер оларды бірге ұстап тұра алады. Керісінше, газ молекулалары арасындағы тартымды күштер өте әлсіз, сондықтан газ молекулалары бір-біріне жабысып қала алмайды. Қозғалған кезде су молекулаларының жылдамдығы болады. Кейбір су молекулаларының жылдамдығы жоғары, ал басқаларының жылдамдығы төмен. Су молекулаларының жылдамдықтарының таралуы Максвелл таралуына ұқсайды.
Булану су молекулаларының жылдамдығы жеткілікті үлкен болған кезде, су молекулалары арасындағы тартымды күш оларды бірге ұстап тұра алмайтындай етіп пайда болады. Ғарышқа ұшып бара жатқан зымыранға ұқсас, зымыранның жылдамдығы жеткілікті үлкен болғандықтан, Жердің тартылыс күші оның жерде қалуына кедергі келтіре алмайды. Айта кету керек, тек үлкен жылдамдықтағы молекулалар ғана молекулалар арасындағы тартымды күштерден құтыла алады. Жылдамдығы төмен молекулалар әлі де бірігіп, су түзеді.
Су молекулаларының массасы мен жылдамдығы немесе жылдамдығы бар, сондықтан су молекулаларының кинетикалық энергиясы бар (EK = 1/2 мв2). Жоғары жылдамдықтағы су молекулаларының кинетикалық энергиясы төмен жылдамдықтағы су молекулаларына қарағанда жоғары. Осылайша, молекулалар арасындағы тартымды күштерден қашып құтыла алатын су молекулаларының (буға айналатын су молекулаларының) кинетикалық энергиясы айтарлықтай үлкен деп айтуға болады. Әдетте, су температурасы жоғарылаған сайын су молекулаларының кинетикалық энергиясы артады. Егер су температурасы жеткілікті жоғары болса, су молекулаларының кинетикалық энергиясы артады. Осылайша, көбірек су буға айналады. Бұл булану жылдамдығы әдетте жоғары температурада жоғары болатынын көрсететін зерттеу нәтижелеріне сәйкес келеді.
Ылғал киімдерді күн сәулесінде кептіргенде, дымқыл киімдер күн шығаратын жылуды сіңіреді. Күннен келетін қосымша энергия киімдегі су молекулаларының кинетикалық энергиясының артуына әкеледі. Кинетикалық энергия артқандықтан, су молекулалары жылдамырақ қозғалады (су молекулаларының жылдамдығы артады). Олардың жылдамдығы немесе кинетикалық энергиясы белгілі бір мәнге жеткенде, су молекулалары су молекулалары арасындағы тартымды күштерден шығып, буға айнала алады. Ылғал киімнің кебуіне тек күннің қосымша жылуы ғана әсер етпейтінін ескеру маңызды. Ылғал киімдер киімнің айналасындағы жылы ауадан келетін қосымша жылудың әсерінен де кебуі мүмкін (жылу ауадан дымқыл киімге өткізгіштік арқылы беріледі).
Ыстық күні жер немесе еден тезірек қызады. Жер тез қызады, себебі оның меншікті жылуы өте үлкен. Жер үстіндегі ауаны қыздырады (бұл жағдайда жылу өткізгіштік арқылы жылу алмасу жүреді). Ыстық ауа кеңейеді (тығыздығы төмендейді) және жоғары қарай жылжиды. Ол дымқыл киімдердің үстінен өткенде, ауа молекулалары киімдегі су молекулаларымен соқтығысады. Су молекулалары жылдамырақ қозғалады. Олар жылдамырақ қозғалатындықтан, су молекулаларының кинетикалық энергиясы артады. Жылдам қозғалатын су молекулалары басқа су молекулаларымен соқтығысады. Олармен ауа молекулалары үздіксіз соқтығысатындықтан, су молекулалары жылдамырақ қозғалады (олардың кинетикалық энергиясы артады).
Жылдамдығы немесе кинетикалық энергиясы белгілі бір мәнге жеткенде, жылдам қозғалатын су молекулалары молекулалар арасындағы тартылыс күшінен шығып, буға айнала алады... Су молекулаларының немесе ауа молекулаларының кинетикалық энергиясы температурамен тығыз байланысты. Егер су молекулаларының кинетикалық энергиясы үлкен болса, онда сонымен бірге су температурасы жоғары болады. Немесе керісінше, су температурасы жоғары болған кезде, су молекулаларының кинетикалық энергиясы үлкен болуы керек. Кинетикалық энергия жылдамдықпен де байланысты. Молекулалардың кинетикалық энергиясы неғұрлым үлкен болса, молекулалардың жылдамдығы соғұрлым үлкен болады. Немесе керісінше, молекулалардың жылдамдығы неғұрлым үлкен болса, молекулалардың кинетикалық энергиясы соғұрлым үлкен болады.
Ал ыстық су туралы не деуге болады? Ыстық судың температурасы жоғары. Су температурасы жоғары болғандықтан, судағы су молекулаларының орташа кинетикалық энергиясы үлкен. Су молекулаларының орташа кинетикалық энергиясы үлкен болғандықтан, көптеген су молекулалары жоғары жылдамдыққа ие (көптеген су молекулалары тез қозғалады). Жоғары жылдамдыққа ие су молекулалары молекулалар арасындағы тартымды күштерден шығып, буға айнала алады. Тек жоғары жылдамдықтағы су молекулалары (кинетикалық энергиясы үлкен су молекулалары) буға кетеді, ал төмен жылдамдықтағы су молекулалары (кинетикалық энергиясы аз су молекулалары) буға айналмайды. Осылайша, жоғары жылдамдықтағы су молекулалары буға айналғанда, бірге қалатын су молекулаларының орташа кинетикалық энергиясы кішірейеді. Орташа кинетикалық энергия неғұрлым аз болса, су температурасы соғұрлым төмен болады (су суық болады). Осы қысқаша сипаттамаға сүйене отырып, булану салқындату процесі деп айтуға болады.
Буланудан туындайтын салқындату процесі күнделікті өмірде жиі кездеседі. Ауа өте ыстық болған кезде, дене көп жылуды сіңіреді. Дене температурасын тұрақты ұстап тұру үшін дене әдетте тер арқылы жылуды бөледі. Тер күннен және қоршаған ауадан қосымша жылу алатындықтан, тер молекулаларының кинетикалық энергиясы артады. Тер молекулаларының кинетикалық энергиясы артатындықтан, тер молекулаларының жылдамдығы артады. Тер молекулалары буға айналады. Тер буланған кезде дене салқын сезінеді. Міне, тағы бір мысал... Әдетте душтан кейін біздің денеміз салқын сезінеді. Себебі терінің бетіне жабысып қалған су буланады.
Жоғарыда сипатталған булану процесі күн сайын жүреді. Теңіз суы, көл суы және өзен суы да булануы мүмкін...
Бу қысымы
Мұндағы бу деп су буын айтуға болады. Суретке қараңыз. Суға толы жабық ыдыс (ыдыстағы ауа алынып тасталған деп есептеңіз). Кинетикалық теорияға сәйкес, су молекулалары әрқашан қозғалады. Қозғалған кезде су молекулаларының жылдамдығы мен кинетикалық энергиясы болады. Жылдамдығы мен кинетикалық энергиясы жеткілікті су молекулалары су молекулалары арасындағы тартымды күштерден шығып, буға айнала алады... Дәл осындай процесс қасындағы ыдыстағы су молекулаларымен де жүреді. Уақыт өте келе, су молекулалары буға айналады. Ыдыс жабық болғандықтан, буға айналған су молекулалары атмосфераға шыға алмайды (молекулалар ыдыста тұрып қалады). Буға айналатын су молекулаларының саны молекулалар мен ыдыс қабырғалары арасында соқтығысу мүмкіндігі бардай көп.
Ыдыстың қабырғаларына тиген кейбір молекулалар су бетіне шағылысып, бірігіп, су түзеді. Бұл процесс үздіксіз қайталанады. Уақыт өте келе, су молекулаларының саны артып, буға айналады (сұйықтықтан буға айналады). Сонымен қатар, ыдыстың қабырғаларына тиген кейбір молекулалар қайтадан суға айналады (будан сұйықтыққа айналады). Егер сұйықтықтан буға ауысатын молекулалар саны будан сұйықтыққа ауысатын молекулалар санына тең болса, онда тепе-теңдік орнайды. Тепе-теңдік орнаған кезде, буы бар ыдыстың жоғарғы жағы қаныққан деп аталады... Қаныққан аймақтағы бу қысымы қаныққан бу қысымы деп аталады.
Сұйық күйден буға ауысу булану деп аталады. Будан сұйықтыққа ауысу конденсация деп аталады. Қаныққан бу қысымы тек температураға байланысты екенін және көлемге емес екенін ескеріңіз. Судың температурасы жоғарылаған сайын су молекулаларының кинетикалық энергиясы артады.
Су молекулаларының кинетикалық энергиясы артады, сондықтан су молекулаларының жылдамдығы артуы керек. Осылайша, жоғары жылдамдықпен барған сайын көп молекулалар буға айналады (сұйықтықтан буға өзгереді). Ыдыстың көлемі тұрақты болғандықтан, бу қысымы тек молекулалар санына (N) және жылдамдыққа (v) байланысты.
Буға айналатын молекулалар неғұрлым көп болса (N неғұрлым үлкен болса) және бұл молекулалардың жылдамдығы соғұрлым жоғары болса (v соғұрлым үлкен болса), бу қысымы соғұрлым жоғары болады. Осылайша, тепе-теңдік жоғары бу қысымында болады. Демек, қаныққан бу қысымы да артады. Қаныққан бу қысымы тек тепе-теңдікке жеткенде ғана болады. Төменде судың қаныққан бу қысымының температурамен өзгеруі көрсетілген.
Бу қысымы көлемге байланысты, бірақ қаныққан бу қысымы тәуелді емес. Егер ыдыстың көлемі артса немесе азайса, тепе-теңдік ақырында орнайды. Жоғарыдағы мысал атмосферада пайда болатын қаныққан бу қысымын түсінуге бағыттау үшін берілген. Айырмашылығы, алдыңғы мысалда біз ыдыстың суы жоқ бөлігінде ауа жоқ деп есептедік. Сондықтан ыдыстың суы жоқ бөлігін тек су буы алып жатыр. Керісінше, Жер беті әрқашан ауаға толы. Бу молекулалары мен басқа газ молекулаларының соқтығысуы тепе-теңдікке жету уақытын ұзартады. Дегенмен, тепе-теңдік ақырында буға айналатын су молекулаларының саны суға айналатын бу молекулаларының санына тең болған кезде орнайды.
