증발 과정은 운동론을 이용하여 설명할 수 있습니다. 기체 분자처럼 물 분자도 움직입니다. 차이점은 물 분자는 분자 간 인력이 강하게 작용하여 서로 결합되어 있기 때문에 흩어지지 않는다는 것입니다. 반대로 기체 분자는 분자 간 인력이 약하여 서로 결합할 수 없습니다. 물 분자는 움직일 때 속도를 가지고 있습니다. 속도가 빠른 물 분자도 있고, 속도가 느린 물 분자도 있습니다. 물 분자의 속도 분포는 맥스웰 분포와 유사합니다.
증발은 물 분자의 속도가 충분히 빨라져서 분자 간 인력이 더 이상 분자를 결합시킬 수 없을 때 발생합니다. 마치 로켓이 우주로 발사될 때, 로켓의 속도가 지구의 중력을 이겨내고 지구에 머물 수 있게 되는 것과 유사합니다. 여기서 중요한 것은 속도가 매우 빠른 분자만이 분자 간 인력에서 벗어날 수 있다는 점입니다. 속도가 느린 분자는 물 분자처럼 서로 결합된 상태를 유지합니다.
물 분자는 질량과 속도를 가지고 있으므로 운동 에너지(EK = 1/2 m v²)를 갖습니다. 속도가 빠른 물 분자는 속도가 느린 물 분자보다 운동 에너지가 더 큽니다. 따라서 분자 간 인력에서 벗어날 수 있는 물 분자(수증기로 변하는 물 분자)는 상당한 운동 에너지를 가지고 있다고 할 수 있습니다. 일반적으로 물 분자의 운동 에너지는 물의 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 물의 온도가 충분히 높으면 물 분자의 운동 에너지가 증가하므로 더 많은 물이 수증기로 변합니다. 이는 증발 속도가 일반적으로 고온에서 더 빠르다는 연구 결과와 일치합니다.
젖은 옷을 햇볕에 말릴 때, 옷은 태양으로부터 열을 흡수합니다. 태양 에너지가 더해지면 옷 속 물 분자의 운동 에너지가 증가합니다. 운동 에너지가 증가하면 물 분자는 더 빠르게 움직입니다(물 분자의 속도가 증가합니다). 속도 또는 운동 에너지가 특정 값에 도달하면 물 분자는 분자 간 인력에서 벗어나 수증기로 변할 수 있습니다. 젖은 옷이 마르는 데에는 햇볕의 열뿐만 아니라 주변의 따뜻한 공기에서 전달되는 열도 영향을 미친다는 점에 유의해야 합니다(열은 공기에서 젖은 옷으로 전도됩니다).
더운 날에는 땅이 뜨거워집니다. 땅은 그 위의 공기를 데웁니다(이 경우 열전도에 의한 열전달). 뜨거워진 공기는 팽창(밀도 감소)하여 위로 올라갑니다. 젖은 옷이 지나갈 때, 옷 속의 물 분자들은 서로 부딪힙니다. 물 분자는 더 빠르게 움직이고, 운동 에너지가 증가합니다. 빠르게 움직이는 물 분자는 다른 물 분자와 계속 충돌합니다. 공기 분자와 끊임없이 부딪히면서 물 분자는 더 빠르게 움직입니다(운동 에너지 증가). 속도 또는 운동 에너지가 특정 값에 도달하면, 빠르게 움직이는 물 분자는 분자 간 인력에서 벗어나 수증기로 변할 수 있습니다. 물 분자의 운동 에너지는 온도와 밀접한 관련이 있습니다. 물 분자의 운동 에너지가 크면 물의 온도도 높습니다. 또는 반대로 물의 온도가 높으면 물 분자의 운동 에너지도 커야 합니다. 운동 에너지는 속도와도 관련이 있습니다. 분자의 운동 에너지가 높을수록 분자의 속도도 빠릅니다. 또는 반대로 분자의 속도가 빠를수록 분자의 운동 에너지도 커집니다.
뜨거운 물은 어떨까요? 뜨거운 물은 온도가 높습니다. 물의 온도가 높기 때문에 물 분자들은 상당히 높은 평균 운동 에너지를 가지고 있습니다. 물 분자들의 평균 운동 에너지가 크기 때문에 많은 물 분자들이 빠른 속도로 움직입니다. 빠른 속도의 물 분자들은 분자 간 인력을 벗어나 수증기로 변할 수 있습니다. 속도가 느린 물 분자(운동 에너지가 작은 물 분자)는 수증기로 변하지 않습니다. 따라서 빠른 속도의 물 분자가 수증기로 변하면 물 분자들의 평균 운동 에너지는 작아집니다. 평균 운동 에너지가 작아질수록 물의 온도는 낮아집니다. 이러한 간단한 설명을 바탕으로 증발은 냉각 과정이라고 말할 수 있습니다.
증발로 인한 냉각 과정은 일상생활에서 항상 경험하는 현상입니다. 공기가 충분히 뜨거우면 인체는 많은 열을 흡수합니다. 체온을 일정하게 유지하기 위해 우리 몸은 보통 땀을 통해 열을 방출합니다. 땀은 햇볕과 주변 공기로부터 열을 흡수하여 땀 분자의 운동 에너지가 증가합니다. 땀 분자의 운동 에너지가 증가하면 땀 분자의 속도가 빨라지고, 땀 분자는 수증기로 변합니다. 땀이 증발할 때 몸이 시원해지는 것입니다.
일반적으로 목욕 후에는 몸이 시원해집니다. 이는 피부 표면에 붙어 있던 물이 증발하기 때문입니다.
앞서 설명한 증발 과정은 매일 항상 일어납니다. 바닷물, 호수물, 강물도 증발할 수 있습니다.
증기압
여기서 말하는 증기는 수증기를 의미합니다. 그림을 살펴보세요. 밀폐된 용기에 물이 가득 차 있습니다(용기 안의 공기는 제거되었다고 가정합니다). 운동론에 따르면 물 분자는 항상 움직입니다. 움직일 때 물 분자는 속도와 에너지를 갖습니다. 속도와 큰 운동 에너지를 가진 물 분자는 분자 간 인력을 이겨내고 증기로 변합니다.
용기 안의 물 분자에서도 같은 과정이 일어납니다. 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 물 분자가 수증기로 변합니다. 용기가 닫혀 있기 때문에 수증기로 변한 물 분자는 대기 중으로 빠져나갈 수 없습니다 (분자들은 용기 안에 갇히게 됩니다). 수증기로 변하는 물 분자의 양은 상당히 많기 때문에 분자들이 용기 벽과 충돌할 가능성이 있습니다.
용기 벽에 부딪히는 일부 분자는 물 표면으로 반사되어 물과 합쳐집니다. 이 과정은 계속 반복됩니다. 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 물 분자가 수증기(액체에서 기체로)로 변합니다. 동시에 용기 벽에 부딪히는 일부 분자는 다시 물(수증기에서 액체로)로 변합니다. 액체에서 기체로 변하는 분자의 수와 기체에서 액체로 변하는 분자의 수가 같아지면 평형 상태가 됩니다. 이러한 평형 상태가 되면 기체가 담긴 용기 윗부분이 포화되었다고 합니다. 포화 영역에서의 증기압을 포화 증기압이라고 합니다.
액체가 기체로 변하는 것을 증발이라고 합니다. 반대로 수증기가 액체로 변하는 것은 응축이라고 합니다. 포화 증기압은 온도에만 의존하고 부피에는 의존하지 않는다는 점에 유의하십시오. 물의 온도가 올라가면 물 분자의 운동 에너지가 증가합니다.
물 분자의 운동 에너지가 증가함에 따라 물 분자의 속도도 증가하게 됩니다. 따라서 점점 더 많은 고속 분자들이 수증기로 변하게 됩니다(액체에서 수증기로). 용기의 부피는 고정되어 있으므로 수증기압은 분자 수(N)와 속도(v)에만 의존합니다.
분자들이 수증기로 변하는 양이 많아지고 분자들의 속도가 빨라질수록 증기압도 증가합니다. 따라서 평형은 더 높은 증기압에서 발생합니다. 그러므로 포화 증기압 또한 더 높은 압력에서 나타납니다. 포화 증기압은 평형이 이루어질 때만 존재합니다.
증기압은 부피에 비례하지만, 포화 증기압은 부피에 비례하지 않습니다. 용기의 부피가 증가하거나 감소하면 평형 상태가 됩니다. 위의 그림은 대기에서 발생하는 포화 증기압을 이해하기 위한 것입니다. 차이점은 이전 예시에서는 물이 없는 용기 부분에는 물이 없다고 가정했다는 점입니다. 따라서 물이 없는 부분은 수증기로만 채워져 있습니다. 반면에 지표면은 항상 공기로 덮여 있습니다. 수증기 분자와 다른 기체 분자 사이의 충돌은 평형 상태를 연장시킬 뿐입니다. 그러나 수증기로 변하는 물 분자의 수와 물로 변하는 수증기 분자의 수가 같아지면 결국 평형 상태가 됩니다.
