गतिज सिद्धांत
बाष्पीभवनाची प्रक्रिया गतिज सिद्धांताचा वापर करून स्पष्ट करता येते. वायूच्या रेणूंप्रमाणेच, पाण्याचे रेणू देखील गतिमान असतात. फरक एवढाच आहे की, पाण्याचे रेणू वेगळे होऊ शकत नाहीत, कारण त्यांच्यातील आकर्षण शक्ती त्यांना एकत्र धरून ठेवण्यास सक्षम असते. याउलट, वायूच्या रेणूंमधील आकर्षण शक्ती खूपच कमकुवत असते, त्यामुळे वायूचे रेणू एकत्र चिकटून राहू शकत नाहीत. गतिमान असताना, पाण्याच्या रेणूंना गती असते. काही पाण्याच्या रेणूंचा वेग जास्त असतो, तर काहींचा कमी असतो. पाण्याच्या रेणूंच्या वेगांचे वितरण मॅक्सवेल वितरणासारखे असते.
जेव्हा पाण्याच्या रेणूंचा वेग इतका जास्त असतो की त्यांच्यातील आकर्षण शक्ती त्यांना एकत्र धरून ठेवू शकत नाही, तेव्हा बाष्पीभवन होते. हे अवकाशात जाणाऱ्या रॉकेटसारखेच आहे, ज्याचा वेग इतका जास्त असतो की पृथ्वीची गुरुत्वाकर्षण शक्ती त्याला पृथ्वीवर थांबण्यापासून रोखू शकत नाही. हे लक्षात घेतले पाहिजे की केवळ जास्त वेग असलेले रेणूच रेणूंमधील आकर्षण शक्तीतून सुटू शकतात. कमी वेग असलेले रेणू देखील एकत्र येऊन पाणी तयार करतात.
पाण्याच्या रेणूंना वस्तुमान आणि गती असते, ज्यामुळे त्यांच्यामध्ये गतिज ऊर्जा (EK = 1/2 mv²) असते . कमी गती असलेल्या पाण्याच्या रेणूंपेक्षा जास्त गती असलेल्या पाण्याच्या रेणूंमध्ये अधिक गतिज ऊर्जा असते. त्यामुळे, असे म्हणता येईल की, रेणूंमधील आकर्षण शक्तीतून सुटू शकणाऱ्या पाण्याच्या रेणूंमध्ये (वाफेत रूपांतरित होणाऱ्या पाण्याच्या रेणूंमध्ये) बरीच मोठी गतिज ऊर्जा असते. सामान्यतः, पाण्याचे तापमान वाढल्यास पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढते. जर पाण्याचे तापमान पुरेसे जास्त असेल, तर पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढते. त्यामुळे, अधिक पाणी वाफेत रूपांतरित होईल. हे त्या संशोधन निष्कर्षांशी सुसंगत आहे, जे दर्शवतात की उच्च तापमानात बाष्पीभवनाचा दर सामान्यतः जास्त असतो.
जेव्हा आपण ओले कपडे उन्हात वाळवतो, तेव्हा ते ओले कपडे सूर्यापासून उत्सर्जित होणारी उष्णता शोषून घेतात. सूर्यापासून मिळणाऱ्या या अतिरिक्त ऊर्जेमुळे कपड्यांमधील पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढते. गतिज ऊर्जा वाढल्यामुळे, पाण्याचे रेणू अधिक वेगाने फिरू लागतात (पाण्याच्या रेणूंचा वेग वाढतो). एकदा का त्यांचा वेग किंवा गतिज ऊर्जा एका विशिष्ट मर्यादेपर्यंत पोहोचली की, पाण्याचे रेणू आपापसातील आकर्षण शक्तीतून सुटू शकतात आणि वाफेत रूपांतरित होतात. हे लक्षात घेणे महत्त्वाचे आहे की, ओले कपडे वाळण्याची प्रक्रिया केवळ सूर्यापासून मिळणाऱ्या अतिरिक्त उष्णतेमुळेच प्रभावित होत नाही. कपड्यांच्या सभोवतालच्या उष्ण हवेतील अतिरिक्त उष्णतेमुळेही ओले कपडे वाळू शकतात (उष्णता वहन क्रियेद्वारे हवेतून ओल्या कपड्यांमध्ये हस्तांतरित होते).
उष्ण दिवशी, जमीन किंवा फरशी अधिक लवकर तापते. जमीन लवकर तापते कारण तिची विशिष्ट उष्णता बरीच जास्त असते. जमीन तिच्यावरील हवेला तापवते (या प्रकरणात, उष्णता वहनाद्वारे उष्णता हस्तांतरण होते). गरम हवा प्रसरण पावते (तिची घनता कमी होते) आणि वरच्या दिशेने जाते. जेव्हा ती ओल्या कपड्यांवरून जाते, तेव्हा हवेचे रेणू कपड्यांमधील पाण्याच्या रेणूंशी टक्कर देतात. पाण्याचे रेणू अधिक वेगाने फिरू लागतात. ते अधिक वेगाने फिरत असल्यामुळे, पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढते. वेगाने फिरणारे पाण्याचे रेणू इतर पाण्याच्या रेणूंशी टक्कर देतात. हवेच्या रेणूंशी सतत टक्कर होत असल्यामुळे, पाण्याचे रेणू अधिक वेगाने फिरू लागतात (त्यांची गतिज ऊर्जा वाढते).
एकदा का त्यांचा वेग किंवा गतिज ऊर्जा एका विशिष्ट मूल्यापर्यंत पोहोचली की, वेगाने फिरणारे पाण्याचे रेणू एकमेकांमधील आकर्षणातून सुटून वाफेत रूपांतरित होऊ शकतात... पाण्याच्या किंवा हवेच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा तापमानाशी जवळून संबंधित असते. जर पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा जास्त असेल, तर त्याच वेळी पाण्याचे तापमानही जास्त असते. किंवा याउलट, जेव्हा पाण्याचे तापमान जास्त असते, तेव्हा पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जाही जास्त असली पाहिजे. गतिज ऊर्जा वेगाशी देखील संबंधित आहे. रेणूंची गतिज ऊर्जा जितकी जास्त, तितका त्यांचा वेग जास्त असतो. किंवा याउलट, रेणूंचा वेग जितका जास्त, तितकी त्यांची गतिज ऊर्जा जास्त असते.
गरम पाण्याबद्दल काय? गरम पाण्याचे तापमान जास्त असते. पाण्याचे तापमान जास्त असल्यामुळे, पाण्यातील पाण्याच्या रेणूंमध्ये सरासरी गतिज ऊर्जा जास्त असते. पाण्याच्या रेणूंची सरासरी गतिज ऊर्जा जास्त असल्यामुळे, अनेक पाण्याच्या रेणूंचा वेग जास्त असतो (अनेक पाण्याचे रेणू वेगाने फिरतात). जास्त वेग असलेले पाण्याचे रेणू, रेणूंमधील आकर्षण शक्तीतून सुटून वाफेत रूपांतरित होऊ शकतात. फक्त जास्त वेग असलेले पाण्याचे रेणू (जास्त गतिज ऊर्जा असलेले पाण्याचे रेणू) वाफेत रूपांतरित होतात, तर कमी वेग असलेले पाण्याचे रेणू (कमी गतिज ऊर्जा असलेले पाण्याचे रेणू) वाफेत रूपांतरित होत नाहीत. अशाप्रकारे, जेव्हा जास्त वेग असलेले पाण्याचे रेणू वाफेत रूपांतरित होतात, तेव्हा एकत्र राहिलेल्या पाण्याच्या रेणूंची सरासरी गतिज ऊर्जा कमी होते. सरासरी गतिज ऊर्जा जितकी कमी, तितके पाण्याचे तापमान कमी होते (पाणी थंड होते). या संक्षिप्त वर्णनावरून असे म्हणता येईल की, बाष्पीभवन ही एक शीतलीकरण प्रक्रिया आहे.
बाष्पीभवनामुळे होणारी थंड होण्याची प्रक्रिया दैनंदिन जीवनात सामान्यपणे घडते. जेव्हा हवा खूप गरम असते, तेव्हा शरीर बरीच उष्णता शोषून घेते. शरीराचे तापमान स्थिर ठेवण्यासाठी, शरीर सामान्यतः घामाद्वारे उष्णता बाहेर टाकते. घामाला सूर्य आणि सभोवतालच्या हवेतून अतिरिक्त उष्णता मिळत असल्यामुळे, घामाच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढते. घामाच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढल्यामुळे, त्यांचा वेग वाढतो. घामाचे रेणू वाफेत रूपांतरित होतात. जेव्हा घामाचे बाष्पीभवन होते, तेव्हा शरीराला थंडावा जाणवतो. याचे आणखी एक उदाहरण... सहसा अंघोळीनंतर आपल्या शरीराला थंडावा जाणवतो. याचे कारण असे की, त्वचेच्या पृष्ठभागाला चिकटलेल्या पाण्याचे बाष्पीभवन होते.
वर वर्णन केलेली बाष्पीभवनाची प्रक्रिया दररोज घडते. समुद्राचे पाणी, तलावाचे पाणी आणि नदीचे पाणी यांचेही बाष्पीभवन होऊ शकते…
बाष्प दाब
येथे वाफ म्हणजे पाण्याची वाफ होय. चित्राचे निरीक्षण करा. पाण्याने भरलेले एक बंद भांडे (असे समजा की भांड्यातील हवा काढून टाकली आहे). गतिज सिद्धांतानुसार, पाण्याचे रेणू नेहमीच गतिमान असतात. गतिमान असताना, पाण्याच्या रेणूंना गती आणि गतिज ऊर्जा प्राप्त होते. ज्या पाण्याच्या रेणूंना पुरेशी गती आणि गतिज ऊर्जा प्राप्त होते, ते एकमेकांमधील आकर्षण शक्तीतून सुटून वाफेत रूपांतरित होऊ शकतात... हीच प्रक्रिया त्याच्या शेजारील भांड्यातील पाण्याच्या रेणूंनाही घडते. जसजसा वेळ जातो, तसतसे अधिकाधिक पाण्याचे रेणू वाफेत रूपांतरित होतात. भांडे बंद असल्यामुळे, वाफेत रूपांतरित झालेले पाण्याचे रेणू वातावरणात बाहेर पडू शकत नाहीत (ते रेणू भांड्यातच अडकलेले असतात). वाफेत रूपांतरित होणाऱ्या पाण्याच्या रेणूंची संख्या इतकी जास्त असते की, रेणू आणि भांड्याच्या भिंती यांच्यात टक्कर होण्याची शक्यता असते.
पात्राच्या भिंतींवर आदळणारे काही रेणू पाण्याच्या पृष्ठभागावर परत परावर्तित होतात आणि एकत्र येऊन पाणी तयार करतात. ही प्रक्रिया सतत पुनरावृत्त होते. जसजसा वेळ जातो, तसतसे अधिकाधिक पाण्याचे रेणू बाष्पात रूपांतरित होतात (द्रवाचे बाष्पात रूपांतर होते). त्याच वेळी, पात्राच्या भिंतींवर आदळणारे काही रेणू पुन्हा पाण्यात रूपांतरित होतात (बाष्पाचे द्रवात रूपांतर होते). जर द्रवाचे बाष्पात रूपांतर होणाऱ्या रेणूंची संख्या आणि बाष्पाचे द्रवात रूपांतर होणाऱ्या रेणूंची संख्या समान असेल, तर समतोल साधला जातो. जेव्हा समतोल साधला जातो, तेव्हा बाष्प असलेल्या पात्राचा वरचा भाग संतृप्त झाला आहे असे म्हटले जाते. संतृप्त क्षेत्रातील बाष्प दाबाला संतृप्त बाष्प दाब म्हणून ओळखले जाते.
द्रवाचे बाष्पात होणाऱ्या बदलाला बाष्पीभवन म्हणतात. बाष्पाचे द्रवात होणाऱ्या बदलाला संघनन म्हणतात. हे लक्षात घ्या की संतृप्त बाष्प दाब केवळ तापमानावर अवलंबून असतो, आकारमानावर नाही. पाण्याचे तापमान वाढल्यास, पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढते.
पाण्याच्या रेणूंची गतिज ऊर्जा वाढते, त्यामुळे त्यांचा वेग वाढलाच पाहिजे. अशाप्रकारे, जास्त वेग असलेले अधिकाधिक रेणू बाष्पात रूपांतरित होतील (द्रवातून बाष्पात अवस्थांतर होईल). पात्राचे आकारमान निश्चित असल्यामुळे, बाष्पाचा दाब केवळ रेणूंची संख्या (N) आणि वेग (v) यांवर अवलंबून असतो.
जेवढे जास्त रेणू (N मोठा) बाष्पात रूपांतरित होतात आणि या रेणूंचा वेग (v मोठा) जेवढा जास्त असतो, तेवढा बाष्प दाब जास्त वाढतो. त्यामुळे, जास्त बाष्प दाबावर समतोल साधला जातो. म्हणूनच, संतृप्त बाष्प दाब देखील वाढतो. संतृप्त बाष्प दाब केवळ समतोल साधल्यावरच अस्तित्वात असतो. खालील आकृती तापमानानुसार पाण्याच्या संतृप्त बाष्प दाबातील बदल दर्शवते.
बाष्प दाब आकारमानावर अवलंबून असतो, परंतु संतृप्त बाष्प दाब अवलंबून नसतो. जर एखाद्या पात्राचे आकारमान वाढले किंवा कमी झाले, तर अखेरीस समतोल साधला जाईल. वरील आकृती केवळ वातावरणात आढळणारा संतृप्त बाष्प दाब समजून घेण्यासाठी मार्गदर्शन करते. फरक हा आहे की, मागील आकृतीमध्ये आपण असे गृहीत धरले होते की पात्राच्या ज्या भागात पाणी नव्हते, त्या भागात हवा नव्हती. त्यामुळे, पात्राचा जो भाग पाण्याविना होता, तो केवळ पाण्याच्या बाष्पाने व्यापलेला होता. याउलट, पृथ्वीचा पृष्ठभाग नेहमी हवेने भरलेला असतो. बाष्पाचे रेणू आणि इतर वायूंच्या रेणूंमधील टक्कर केवळ समतोल साधण्यासाठी लागणारा वेळ वाढवते. तथापि, जेव्हा बाष्पात रूपांतरित होणाऱ्या पाण्याच्या रेणूंची संख्या आणि पाण्यात रूपांतरित होणाऱ्या बाष्पाच्या रेणूंची संख्या समान होईल, तेव्हा अखेरीस समतोल साधला जाईल.
