Kinetische theorie
Het verdampingsproces kan worden verklaard met behulp van de kinetische theorie. Net als gasmoleculen bewegen ook watermoleculen. Het verschil is dat watermoleculen niet van elkaar kunnen scheiden, omdat de aantrekkingskrachten tussen hen ze nog steeds bij elkaar houden. Daarentegen zijn de aantrekkingskrachten tussen gasmoleculen erg zwak, waardoor gasmoleculen niet aan elkaar kunnen kleven. Watermoleculen bewegen met een bepaalde snelheid. Sommige watermoleculen bewegen met een hoge snelheid, andere met een lage snelheid. De snelheidsverdeling van watermoleculen lijkt op de Maxwell-verdeling.
Verdamping vindt plaats wanneer de snelheid van de watermoleculen groot genoeg is, zodat de aantrekkingskracht tussen de watermoleculen ze niet meer bij elkaar kan houden. Vergelijk dit met een raket die de ruimte in schiet: de snelheid van de raket is groot genoeg zodat de zwaartekracht van de aarde hem niet kan tegenhouden. Het is belangrijk om te weten dat alleen moleculen met een hoge snelheid aan de aantrekkingskracht tussen moleculen kunnen ontsnappen. Moleculen met een lage snelheid combineren zich nog steeds tot water.
Watermoleculen hebben massa en snelheid, waardoor ze kinetische energie bezitten (EK = 1/2 mv² ) . Watermoleculen met een hoge snelheid hebben een grotere kinetische energie dan watermoleculen met een lage snelheid. Daarom kan gesteld worden dat watermoleculen die de aantrekkingskrachten tussen moleculen kunnen weerstaan (watermoleculen die in stoom veranderen) een relatief grote kinetische energie hebben. De kinetische energie van watermoleculen neemt doorgaans toe naarmate de watertemperatuur stijgt. Bij een voldoende hoge watertemperatuur zal er dus meer water in stoom veranderen. Dit komt overeen met onderzoeksresultaten die aantonen dat de verdampingssnelheid bij hogere temperaturen doorgaans hoger is.
Wanneer we natte kleren in de zon drogen, absorberen de kleren de warmte van de zon. De extra energie van de zon zorgt ervoor dat de kinetische energie van de watermoleculen in de kleren toeneemt. Doordat de kinetische energie toeneemt, bewegen de watermoleculen sneller (de snelheid van de watermoleculen neemt toe). Zodra hun snelheid of kinetische energie een bepaalde waarde bereikt, kunnen de watermoleculen ontsnappen aan de aantrekkingskrachten tussen de watermoleculen en in stoom veranderen. Het is belangrijk om te weten dat het drogen van natte kleren niet alleen wordt beïnvloed door de extra warmte van de zon. Natte kleren kunnen ook drogen door de extra warmte van de warme lucht eromheen (warmteoverdracht door geleiding van de lucht naar de natte kleren).
Op een warme dag warmt de grond of vloer sneller op. De grond warmt snel op omdat de soortelijke warmte ervan vrij hoog is. De grond verwarmt de lucht erboven (in dit geval vindt warmteoverdracht plaats door geleiding). De warme lucht zet uit (de dichtheid neemt af) en stijgt op. Wanneer de lucht over natte kleding stroomt, botsen de luchtmoleculen met de watermoleculen in de kleding. De watermoleculen bewegen sneller. Doordat ze sneller bewegen, neemt de kinetische energie van de watermoleculen toe. De snel bewegende watermoleculen botsen met andere watermoleculen. Doordat ze continu worden geraakt door luchtmoleculen, bewegen de watermoleculen nog sneller (hun kinetische energie neemt toe).
Zodra hun snelheid of kinetische energie een bepaalde waarde bereikt, kunnen de snel bewegende watermoleculen ontsnappen aan de aantrekkingskracht tussen de moleculen en in stoom veranderen. De kinetische energie van watermoleculen of luchtmoleculen is nauw verbonden met de temperatuur. Als de kinetische energie van watermoleculen groot is, is de watertemperatuur tegelijkertijd hoog. Of omgekeerd: als de watertemperatuur hoog is, moet de kinetische energie van watermoleculen groot zijn. Kinetische energie is ook gerelateerd aan snelheid. Hoe groter de kinetische energie van de moleculen, hoe groter de snelheid van de moleculen. Of omgekeerd: hoe groter de snelheid van de moleculen, hoe groter de kinetische energie van de moleculen.
En hoe zit het met heet water? Heet water heeft een hoge temperatuur. Omdat de watertemperatuur hoog is, hebben de watermoleculen in het water een grote gemiddelde kinetische energie. Doordat de gemiddelde kinetische energie van watermoleculen groot is, bewegen veel watermoleculen snel. Watermoleculen met een hoge snelheid kunnen ontsnappen aan de aantrekkingskrachten tussen de moleculen en in stoom veranderen. Alleen watermoleculen met een hoge snelheid (watermoleculen met een grote kinetische energie) veranderen in stoom, terwijl watermoleculen met een lage snelheid (watermoleculen met een kleine kinetische energie) niet in stoom veranderen. Wanneer watermoleculen met een hoge snelheid in stoom veranderen, neemt de gemiddelde kinetische energie van de overgebleven watermoleculen af. Hoe kleiner de gemiddelde kinetische energie, hoe lager de watertemperatuur (hoe kouder het water). Op basis van deze korte beschrijving kan worden gesteld dat verdamping een afkoelingsproces is.
Het afkoelingsproces door verdamping is een veelvoorkomend verschijnsel in het dagelijks leven. Wanneer de lucht erg warm is, absorbeert het lichaam veel warmte. Om een constante lichaamstemperatuur te behouden, geeft het lichaam normaal gesproken warmte af door te zweten. Doordat zweet extra warmte opneemt van de zon en de omringende lucht, neemt de kinetische energie van de zweetmoleculen toe. Door de toegenomen kinetische energie van de zweetmoleculen neemt ook de snelheid van de zweetmoleculen toe. De zweetmoleculen veranderen in damp. Wanneer zweet verdampt, voelt het lichaam koel aan. Nog een voorbeeld... Meestal voelt ons lichaam koel aan na het douchen. Dit komt doordat het water dat aan het huidoppervlak kleeft, verdampt.
Het hierboven beschreven verdampingsproces vindt dagelijks plaats. Zeewater, meerwater en rivierwater kunnen ook verdampen...
Dampdruk
Met stoom wordt hier waterdamp bedoeld. Bekijk de afbeelding. Een gesloten container gevuld met water (neem aan dat de lucht uit de container is verwijderd). Volgens de kinetische energietheorie bewegen watermoleculen altijd. Tijdens die beweging hebben watermoleculen snelheid en kinetische energie. Watermoleculen met voldoende snelheid en kinetische energie kunnen ontsnappen aan de aantrekkingskrachten tussen watermoleculen en in stoom veranderen. Hetzelfde proces vindt plaats met de watermoleculen in de container ernaast. Na verloop van tijd veranderen steeds meer watermoleculen in stoom. Omdat de container gesloten is, kunnen de watermoleculen die in stoom zijn veranderd niet ontsnappen naar de atmosfeer (de moleculen zitten opgesloten in de container). Het aantal watermoleculen dat in stoom verandert is groot genoeg om botsingen tussen de moleculen en de wanden van de container mogelijk te maken.
Sommige moleculen die tegen de wanden van de container botsen, worden teruggekaatst naar het wateroppervlak en combineren zich tot water. Dit proces herhaalt zich continu. Na verloop van tijd zullen steeds meer watermoleculen in damp veranderen (van vloeistof naar damp). Tegelijkertijd zullen sommige moleculen die tegen de wanden van de container botsen, weer in water veranderen (van damp naar vloeistof). Als het aantal moleculen dat van vloeistof naar damp verandert gelijk is aan het aantal moleculen dat van damp naar vloeistof verandert, treedt er evenwicht op. Wanneer evenwicht is bereikt, wordt gezegd dat de bovenkant van de container met damp verzadigd is. De dampdruk in het verzadigde gebied staat bekend als verzadigde dampdruk.
De overgang van vloeistof naar damp wordt verdamping genoemd. De overgang van damp naar vloeistof wordt condensatie genoemd. Merk op dat de verzadigde dampdruk alleen afhangt van de temperatuur en niet van het volume. Naarmate de temperatuur van water stijgt, neemt de kinetische energie van de watermoleculen toe.
De kinetische energie van de watermoleculen neemt toe, waardoor de snelheid van de watermoleculen ook toeneemt. Op deze manier zullen steeds meer moleculen met een hoge snelheid in damp veranderen (van vloeibare naar gasvormige toestand overgaan). Omdat het volume van de container vastligt, hangt de dampdruk alleen af van het aantal moleculen (N) en hun snelheid (v).
Hoe meer moleculen (hoe groter N) in damp veranderen en hoe hoger de snelheid van deze moleculen (hoe groter v), hoe meer de dampdruk toeneemt. Evenwicht treedt dus op bij een hogere dampdruk. Daardoor zal ook de verzadigde dampdruk toenemen. Verzadigde dampdruk bestaat alleen wanneer evenwicht is bereikt. De volgende grafiek toont de verandering in de verzadigde dampdruk van water met de temperatuur.
Dampdruk is afhankelijk van het volume, maar verzadigde dampdruk niet. Als het volume van een container toe- of afneemt, zal er uiteindelijk een evenwicht worden bereikt. De bovenstaande afbeelding dient slechts ter verduidelijking van de verzadigde dampdruk in de atmosfeer. Het verschil is dat we in de vorige afbeelding aannamen dat er geen lucht aanwezig was in het deel van de container dat geen water bevatte. Het deel van de container dat geen water bevatte, werd dus alleen ingenomen door waterdamp. Het aardoppervlak daarentegen is altijd gevuld met lucht. Botsingen tussen dampmoleculen en andere gasmoleculen verlengen alleen de tijd die nodig is om een evenwicht te bereiken. Uiteindelijk zal er echter een evenwicht worden bereikt wanneer het aantal watermoleculen dat in damp verandert gelijk is aan het aantal dampmoleculen dat in water verandert.
