Kinētiskā teorija
Iztvaikošanas procesu var izskaidrot, izmantojot kinētisko teoriju. Tāpat kā gāzes molekulas, arī ūdens molekulas pārvietojas. Atšķirība ir tāda, ka ūdens molekulas nevar atdalīties, jo pievilkšanās spēki starp tām joprojām spēj tās saturēt kopā. Turpretī pievilkšanās spēki starp gāzes molekulām ir ļoti vāji, tāpēc gāzes molekulas nevar salipt kopā. Kustoties, ūdens molekulām ir ātrums. Dažām ūdens molekulām ir liels ātrums, bet citām - mazs. Ūdens molekulu ātrumu sadalījums atgādina Maksvela sadalījumu.
Iztvaikošana notiek, kad ūdens molekulu ātrums ir pietiekami liels, lai pievilkšanās spēks starp ūdens molekulām nespētu tās saturēt kopā. Līdzīgi kā raķetei, kas pārvietojas kosmosā, raķetes ātrums ir pietiekami liels, lai Zemes gravitācijas spēks nespētu to atturēt no palikšanas uz Zemes. Jāatzīmē, ka tikai molekulas ar lielu ātrumu spēj izvairīties no pievilkšanās spēkiem starp molekulām. Molekulas ar mazu ātrumu joprojām savienojas, veidojot ūdeni.
Ūdens molekulām ir masa un ātrums, tāpēc ūdens molekulām ir kinētiskā enerģija (EK = 1/2 mv 2 ). Ūdens molekulām ar lielu ātrumu ir lielāka kinētiskā enerģija nekā ūdens molekulām ar mazu ātrumu. Tādējādi var teikt, ka ūdens molekulām, kas var izvairīties no pievilkšanās spēkiem starp molekulām (ūdens molekulas, kas pārvēršas tvaikā), ir diezgan liela kinētiskā enerģija. Parasti ūdens molekulu kinētiskā enerģija palielinās, paaugstinoties ūdens temperatūrai. Ja ūdens temperatūra ir pietiekami augsta, ūdens molekulu kinētiskā enerģija palielinās. Tādējādi vairāk ūdens pārvērtīsies tvaikā. Tas atbilst pētījumu rezultātiem, kas liecina, ka iztvaikošanas ātrums parasti ir lielāks augstās temperatūrās.
Kad mēs žāvējam slapjas drēbes saulē, tās absorbē saules izstaroto siltumu. Papildu enerģija no saules izraisa ūdens molekulu kinētiskās enerģijas palielināšanos drēbēs. Tā kā kinētiskā enerģija palielinās, ūdens molekulas pārvietojas ātrāk (ūdens molekulu ātrums palielinās). Kad to ātrums vai kinētiskā enerģija sasniedz noteiktu vērtību, ūdens molekulas var atbrīvoties no pievilkšanās spēkiem starp ūdens molekulām un pēc tam pārvērsties tvaikā. Ir svarīgi atzīmēt, ka slapju drēbju žūšanu ietekmē ne tikai papildu saules siltums. Slapjas drēbes var izžūt arī papildu siltuma dēļ no siltā gaisa ap drēbēm (siltuma pārnese ar vadīšanas palīdzību no gaisa uz slapjajām drēbēm).
Karstā dienā zeme vai grīda sasilst ātrāk. Zeme sasilst ātri, jo tās īpatnējais siltums ir diezgan liels. Zeme sasilda gaisu virs tās (šajā gadījumā siltuma pārnese notiek ar vadīšanas palīdzību). Karstais gaiss izplešas (tā blīvums samazinās) un virzās uz augšu. Kad tas pārvietojas pāri slapjām drēbēm, gaisa molekulas saduras ar ūdens molekulām drēbēs. Ūdens molekulas pārvietojas ātrāk. Tā kā tās pārvietojas ātrāk, ūdens molekulu kinētiskā enerģija palielinās. Ātri kustīgās ūdens molekulas saduras ar citām ūdens molekulām. Tā kā gaisa molekulas ar tām nepārtraukti saduras, ūdens molekulas pārvietojas ātrāk (to kinētiskā enerģija palielinās).
Kad to ātrums vai kinētiskā enerģija sasniedz noteiktu vērtību, ātri kustīgās ūdens molekulas var atbrīvoties no pievilkšanās spēka starp molekulām un pārvērsties tvaikā… Ūdens molekulu vai gaisa molekulu kinētiskā enerģija ir cieši saistīta ar temperatūru. Ja ūdens molekulu kinētiskā enerģija ir liela, tad vienlaikus ūdens temperatūra ir augsta. Vai otrādi, kad ūdens temperatūra ir augsta, ūdens molekulu kinētiskajai enerģijai jābūt lielai. Kinētiskā enerģija ir saistīta arī ar ātrumu. Jo lielāka ir molekulu kinētiskā enerģija, jo lielāks ir molekulu ātrums. Vai otrādi, jo lielāks ir molekulu ātrums, jo lielāka ir molekulu kinētiskā enerģija.
Kā ar karsto ūdeni? Karstam ūdenim ir augsta temperatūra. Tā kā ūdens temperatūra ir augsta, ūdens molekulām ūdenī ir liela vidējā kinētiskā enerģija. Tā kā ūdens molekulu vidējā kinētiskā enerģija ir liela, daudzām ūdens molekulām ir liels ātrums (daudzas ūdens molekulas pārvietojas ātri). Ūdens molekulas ar lielu ātrumu var izvairīties no pievilkšanās spēkiem starp molekulām un pārvērsties tvaikā. Tikai ūdens molekulas ar lielu ātrumu (ūdens molekulas ar lielu kinētisko enerģiju) izkļūst tvaikā, savukārt ūdens molekulas ar mazu ātrumu (ūdens molekulas ar mazu kinētisko enerģiju) nepārvēršas tvaikā. Tādējādi, kad ūdens molekulas ar lielu ātrumu pārvēršas tvaikā, kopā paliekošo ūdens molekulu vidējā kinētiskā enerģija samazinās. Jo mazāka vidējā kinētiskā enerģija, jo zemāka ūdens temperatūra (ūdens kļūst aukstāks). Pamatojoties uz šo īso aprakstu, var teikt, ka iztvaikošana ir dzesēšanas process.
Atdzišanas process, ko izraisa iztvaikošana, ir bieži sastopama ikdienas dzīvē. Kad gaiss ir diezgan karsts, ķermenis absorbē daudz siltuma. Lai uzturētu nemainīgu ķermeņa temperatūru, ķermenis parasti izdala siltumu ar sviedriem. Tā kā sviedri saņem papildu siltumu no saules un apkārtējā gaisa, sviedru molekulu kinētiskā enerģija palielinās. Tā kā sviedru molekulu kinētiskā enerģija palielinās, sviedru molekulu ātrums palielinās. Sviedru molekulas pārvēršas tvaikā. Kad sviedri iztvaiko, ķermenis jūtas vēss. Lūk, vēl viens piemērs... Parasti pēc dušas mūsu ķermenis jūtas vēss. Tas notiek tāpēc, ka ūdens, kas pielīp pie ādas virsmas, iztvaiko.
Iepriekš aprakstītais iztvaikošanas process notiek katru dienu. Arī jūras ūdens, ezera ūdens un upes ūdens var iztvaikot…
Tvaika spiediens
Šeit ar tvaiku tiek domāti ūdens tvaiki. Apskatiet attēlu. Slēgts trauks, kas piepildīts ar ūdeni (pieņemot, ka traukā ir izvadīts gaiss). Saskaņā ar kinētisko teoriju ūdens molekulas vienmēr kustas. Kustoties, ūdens molekulām ir ātrums un kinētiskā enerģija. Ūdens molekulas, kurām ir pietiekams ātrums un kinētiskā enerģija, var izvairīties no pievilkšanās spēkiem starp ūdens molekulām un pārvērsties tvaikā... Tas pats process notiek ar ūdens molekulām blakus esošajā traukā. Laikam ejot, arvien vairāk ūdens molekulu pārvēršas tvaikā. Tā kā trauks ir slēgts, ūdens molekulas, kas ir pārvērtušās tvaikā, nevar izkļūt atmosfērā (molekulas ir iesprostotas traukā). Ūdens molekulu skaits, kas pārvēršas tvaikā, ir pietiekami liels, lai pastāvētu sadursmju iespējamība starp molekulām un trauka sienām.
Dažas no molekulām, kas atsitas pret trauka sienām, tiks atstarotas atpakaļ uz ūdens virsmu un apvienosies, veidojot ūdeni. Šis process atkārtojas nepārtraukti. Laika gaitā arvien vairāk ūdens molekulu pārvērtīsies tvaikā (pāriet no šķidruma uz tvaiku). Tajā pašā laikā dažas no molekulām, kas atsitas pret trauka sienām, atgriezīsies ūdenī (pāriet no tvaika uz šķidrumu). Ja molekulu skaits, kas pāriet no šķidruma uz tvaiku, ir vienāds ar molekulu skaitu, kas pāriet no tvaika uz šķidrumu, tad iestāsies līdzsvars. Kad iestājas līdzsvars, trauka augšdaļa, kurā atrodas tvaiks, tiek saukta par piesātinātu… Tvaika spiedienu piesātinātajā zonā sauc par piesātināta tvaika spiedienu.
Pāreju no šķidruma uz tvaiku sauc par iztvaikošanu. Pāreju no tvaika uz šķidrumu sauc par kondensāciju. Ņemiet vērā, ka piesātināta tvaika spiediens ir atkarīgs tikai no temperatūras, nevis no tilpuma. Palielinoties ūdens temperatūrai, palielinās ūdens molekulu kinētiskā enerģija.
Ūdens molekulu kinētiskā enerģija palielinās, tāpēc ir jāpalielinās ūdens molekulu ātrumam. Tādā veidā arvien vairāk molekulu ar lielu ātrumu pārvērtīsies tvaikā (mainīs stāvokli no šķidra uz tvaiku). Tā kā trauka tilpums ir fiksēts, tvaika spiediens ir atkarīgs tikai no molekulu skaita (N) un ātruma (v).
Jo vairāk molekulu (jo lielāks N) pārvēršas tvaikā un jo lielāks ir šo molekulu ātrums (jo lielāks v), jo vairāk palielinās tvaika spiediens. Tādējādi līdzsvars iestāsies pie augstāka tvaika spiediena. Tāpēc arī piesātinātā tvaika spiediens palielināsies. Piesātinātā tvaika spiediens pastāv tikai tad, kad ir sasniegts līdzsvars. Turpmāk parādītas ūdens piesātinātā tvaika spiediena izmaiņas atkarībā no temperatūras.
Tvaika spiediens ir atkarīgs no tilpuma, bet piesātinātā tvaika spiediens nav. Ja trauka tilpums palielinās vai samazinās, galu galā tiks sasniegts līdzsvars. Iepriekš redzamā ilustrācija ir tikai paredzēta, lai palīdzētu jums izprast piesātinātā tvaika spiedienu atmosfērā. Atšķirība ir tāda, ka iepriekšējā ilustrācijā mēs pieņēmām, ka trauka daļā, kurā nebija ūdens, nav gaisa. Tāpēc trauka daļu, kurā nebija ūdens, aizņēma tikai ūdens tvaiki. Turpretī Zemes virsma vienmēr ir piepildīta ar gaisu. Sadursmes starp tvaika molekulām un citām gāzes molekulām tikai pagarina laiku, kas nepieciešams līdzsvara sasniegšanai. Tomēr līdzsvars galu galā tiks sasniegts, kad ūdens molekulu skaits, kas pārvēršas tvaikā, ir vienāds ar tvaika molekulu skaitu, kas pārvēršas ūdenī.
