Kinetinė teorija
Garavimo procesą galima paaiškinti naudojant kinetinę teoriją. Kaip ir dujų molekulės, vandens molekulės taip pat juda. Skirtumas tas, kad vandens molekulės negali atsiskirti, nes traukos jėgos tarp jų vis tiek gali jas laikyti kartu. Priešingai, traukos jėgos tarp dujų molekulių yra labai silpnos, todėl dujų molekulės negali sulipti. Judėdamos vandens molekulės turi greitį. Kai kurios vandens molekulės turi didelį greitį, o kitos - mažą. Vandens molekulių greičių pasiskirstymas panašus į Maksvelo skirstinį.
Garavimas vyksta, kai vandens molekulių greitis yra pakankamai didelis, kad traukos jėga tarp vandens molekulių negali jų išlaikyti kartu. Panašiai kaip raketos, judančios į kosmosą, greitis yra pakankamai didelis, kad Žemės gravitacijos jėga negalėtų jos sulaikyti nuo Žemės paviršiaus. Reikėtų pažymėti, kad tik didelį greitį turinčios molekulės gali išsivaduoti iš traukos jėgų tarp molekulių. Mažą greitį turinčios molekulės vis tiek susijungia ir sudaro vandenį.
Vandens molekulės turi masę ir greitį, todėl vandens molekulės turi kinetinę energiją (EK = 1/2 mv 2 ). Didelio greičio vandens molekulės turi didesnę kinetinę energiją nei mažo greičio vandens molekulės. Taigi, galima teigti, kad vandens molekulės, kurios gali išvengti traukos jėgų tarp molekulių (vandens molekulės, kurios virsta garais), turi gana didelę kinetinę energiją. Paprastai vandens molekulių kinetinė energija didėja kylant vandens temperatūrai. Jei vandens temperatūra yra pakankamai aukšta, vandens molekulių kinetinė energija didėja. Taigi, daugiau vandens virs garais. Tai atitinka tyrimų rezultatus, kurie rodo, kad garavimo greitis paprastai yra didesnis esant aukštai temperatūrai.
Kai džioviname šlapius drabužius saulėje, jie sugeria saulės skleidžiamą šilumą. Papildoma saulės energija padidina drabužiuose esančių vandens molekulių kinetinę energiją. Didėjant kinetinei energijai, vandens molekulės juda greičiau (padidėja vandens molekulių greitis). Kai jų greitis arba kinetinė energija pasiekia tam tikrą vertę, vandens molekulės gali atsikratyti traukos jėgų tarp vandens molekulių ir virsti garais. Svarbu pažymėti, kad šlapių drabužių džiūvimą veikia ne tik papildoma saulės šiluma. Šlapi drabužiai gali išdžiūti ir dėl papildomos šilumos iš šilto oro aplink drabužius (šiluma perduodama laidumo būdu iš oro į šlapius drabužius).
Karštą dieną žemė arba grindys įkaista greičiau. Žemė įkaista greitai, nes jos savitoji šiluma yra gana didelė. Žemė šildo virš jos esantį orą (šiuo atveju šilumos perdavimas vyksta laidumo būdu). Karštas oras plečiasi (jo tankis mažėja) ir juda aukštyn. Kai jis kerta šlapius drabužius, oro molekulės susiduria su drabužiuose esančiomis vandens molekulėmis. Vandens molekulės juda greičiau. Kadangi jos juda greičiau, vandens molekulių kinetinė energija didėja. Greitai judančios vandens molekulės susiduria su kitomis vandens molekulėmis. Kadangi su jomis nuolat susiduria oro molekulės, vandens molekulės juda greičiau (jų kinetinė energija didėja).
Kai jų greitis arba kinetinė energija pasiekia tam tikrą vertę, greitai judančios vandens molekulės gali ištrūkti iš tarp molekulių esančios traukos ir virsti garais... Vandens arba oro molekulių kinetinė energija yra glaudžiai susijusi su temperatūra. Jei vandens molekulių kinetinė energija yra didelė, tuo pačiu metu vandens temperatūra yra aukšta. Arba atvirkščiai, kai vandens temperatūra yra aukšta, vandens molekulių kinetinė energija turi būti didelė. Kinetinė energija taip pat yra susijusi su greičiu. Kuo didesnė molekulių kinetinė energija, tuo didesnis molekulių greitis. Arba atvirkščiai, kuo didesnis molekulių greitis, tuo didesnė molekulių kinetinė energija.
O kaip dėl karšto vandens? Karšto vandens temperatūra yra aukšta. Dėl aukštos vandens temperatūros jame esančios vandens molekulės turi didelę vidutinę kinetinę energiją. Kadangi vidutinė vandens molekulių kinetinė energija yra didelė, daugelis vandens molekulių juda dideliu greičiu (daug vandens molekulių juda greitai). Dideliu greičiu skriejančios vandens molekulės gali išsivaduoti iš tarp molekulių veikiančių traukos jėgų ir virsti garais. Tik dideliu greičiu skriejančios vandens molekulės (vandens molekulės su didele kinetine energija) išgaruoja į garus, o mažu greičiu skriejančios vandens molekulės (vandens molekulės su maža kinetine energija) nevirsta garais. Taigi, kai dideliu greičiu skriejančios vandens molekulės virsta garais, kartu likusių vandens molekulių vidutinė kinetinė energija sumažėja. Kuo mažesnė vidutinė kinetinė energija, tuo žemesnė vandens temperatūra (vanduo tampa šaltesnis). Remiantis šiuo trumpu aprašymu, galima teigti, kad garavimas yra aušinimo procesas.
Atvėsimo procesas, kurį sukelia garavimas, yra dažnas reiškinys kasdieniame gyvenime. Kai oras gana karštas, kūnas sugeria daug šilumos. Norėdamas palaikyti pastovią kūno temperatūrą, kūnas paprastai išskiria šilumą prakaituodamas. Kadangi prakaitas gauna papildomos šilumos iš saulės ir aplinkinio oro, prakaito molekulių kinetinė energija padidėja. Kadangi prakaito molekulių kinetinė energija padidėja, padidėja ir prakaito molekulių greitis. Prakaito molekulės virsta garais. Kai prakaitas išgaruoja, kūnas jaučiasi vėsus. Štai dar vienas pavyzdys... Paprastai po dušo mūsų kūnas jaučiasi vėsus. Taip yra todėl, kad vanduo, prilipęs prie odos paviršiaus, išgaruoja.
Aukščiau aprašytas garavimo procesas vyksta kiekvieną dieną. Jūros, ežero ir upių vanduo taip pat gali išgaruoti…
Garų slėgis
Čia garais vadinami vandens garai. Atkreipkite dėmesį į paveikslėlį. Uždaras indas, pripildytas vandens (tarkime, kad oras iš indo pašalintas). Pagal kinetinę teoriją, vandens molekulės visada juda. Judėdamos vandens molekulės turi greitį ir kinetinę energiją. Vandens molekulės, turinčios pakankamą greitį ir kinetinę energiją, gali išsivaduoti iš traukos jėgų tarp vandens molekulių ir virsti garais... Tas pats procesas vyksta su vandens molekulėmis greta esančiame inde. Laikui bėgant, vis daugiau vandens molekulių virsta garais. Kadangi indas uždarytas, vandens molekulės, kurios virto garais, negali patekti į atmosferą (molekulės yra įstrigusios inde). Vandens molekulių, kurios virsta garais, skaičius yra pakankamai didelis, kad būtų galima susidurti tarp molekulių ir indo sienelių.
Kai kurios į indo sieneles atsitrenkusios molekulės atsispindės atgal į vandens paviršių ir susijungs, sudarydamos vandenį. Šis procesas kartojasi nuolat. Laikui bėgant, vis daugiau vandens molekulių virs garais (iš skysčio į garus). Tuo pačiu metu kai kurios į indo sieneles atsitrenkusios molekulės vėl virs vandeniu (iš garų į skystį). Jei iš skysčio į garus virstančių molekulių skaičius yra lygus iš garų į skystį virstančių molekulių skaičiui, tada nusistovi pusiausvyra. Kai nusistovi pusiausvyra, indo, kuriame yra garų, viršus vadinamas prisotintu... Garų slėgis prisotintoje srityje vadinamas sočiųjų garų slėgiu.
Viršūnių virsmas iš skysčio į garus vadinamas garavimu. Viršūnių virsmas iš garų į skystį vadinamas kondensacija. Atkreipkite dėmesį, kad sočiųjų garų slėgis priklauso tik nuo temperatūros, o ne nuo tūrio. Didėjant vandens temperatūrai, didėja ir vandens molekulių kinetinė energija.
Vandens molekulių kinetinė energija didėja, todėl turi didėti ir jų greitis. Tokiu būdu vis daugiau ir daugiau molekulių dideliu greičiu virs garais (keis būseną iš skystos į garus). Kadangi indo tūris yra fiksuotas, garų slėgis priklauso tik nuo molekulių skaičiaus (N) ir greičio (v).
Kuo daugiau molekulių (kuo didesnis N) virsta garais ir kuo didesnis šių molekulių greitis (kuo didesnis v), tuo labiau didėja garų slėgis. Taigi, esant didesniam garų slėgiui, bus pasiekta pusiausvyra. Todėl padidės ir sočiųjų garų slėgis. Sočiųjų garų slėgis yra tik tada, kai pasiekiama pusiausvyra. Toliau parodytas vandens sočiųjų garų slėgio pokytis priklausomai nuo temperatūros.
Garų slėgis priklauso nuo tūrio, bet sočiųjų garų slėgis – ne. Jei indo tūris didėja arba mažėja, galiausiai bus pasiekta pusiausvyra. Aukščiau pateikta iliustracija skirta tik padėti suprasti atmosferoje susidarantį sočiųjų garų slėgį. Skirtumas tas, kad ankstesnėje iliustracijoje manėme, jog indo dalyje, kurioje nebuvo vandens, nėra oro. Todėl indo dalis, kurioje nebuvo vandens, buvo užpildyta tik vandens garais. Priešingai, Žemės paviršius visada užpildytas oru. Garų molekulių ir kitų dujų molekulių susidūrimai tik pailgina laiką, per kurį pasiekiama pusiausvyra. Tačiau pusiausvyra galiausiai bus pasiekta, kai vandens molekulių, virstančių garais, skaičius bus lygus garų molekulių, virstančių vandeniu, skaičiui.
