Teoria kinetyczna
Proces parowania można wyjaśnić za pomocą teorii kinetycznej. Podobnie jak cząsteczki gazu, cząsteczki wody również się poruszają. Różnica polega na tym, że cząsteczki wody nie mogą się rozdzielić, ponieważ siły przyciągania między nimi wciąż utrzymują je razem. Natomiast siły przyciągania między cząsteczkami gazu są bardzo słabe, więc cząsteczki gazu nie mogą się ze sobą sklejać. Poruszając się, cząsteczki wody mają prędkość. Niektóre cząsteczki wody mają dużą prędkość, a inne małą. Rozkład prędkości cząsteczek wody przypomina rozkład Maxwella.
Parowanie zachodzi, gdy prędkość cząsteczek wody jest na tyle duża, że siła przyciągania między cząsteczkami wody nie jest w stanie ich utrzymać razem. Podobnie jak w przypadku rakiety lecącej w kosmos, prędkość rakiety jest na tyle duża, że siła grawitacji Ziemi nie jest w stanie powstrzymać jej przed pozostaniem na Ziemi. Należy zauważyć, że tylko cząsteczki o dużej prędkości są w stanie uciec przed siłami przyciągania między cząsteczkami. Cząsteczki o małej prędkości nadal łączą się, tworząc wodę.
Cząsteczki wody mają masę i prędkość, dzięki czemu mają energię kinetyczną (EK = 1/2 mv 2 ). Cząsteczki wody o dużej prędkości mają większą energię kinetyczną niż cząsteczki wody o małej prędkości. Można zatem powiedzieć, że cząsteczki wody, które mogą uciec przed siłami przyciągania między cząsteczkami (cząsteczki wody zamieniające się w parę), mają dość dużą energię kinetyczną. Zwykle energia kinetyczna cząsteczek wody wzrasta wraz ze wzrostem temperatury wody. Jeśli temperatura wody jest wystarczająco wysoka, energia kinetyczna cząsteczek wody wzrasta. Zatem więcej wody zamieni się w parę. Jest to zgodne z wynikami badań, które pokazują, że szybkość parowania jest zwykle większa w wysokich temperaturach.
Kiedy suszymy mokre ubrania na słońcu, pochłaniają one ciepło emitowane przez słońce. Dodatkowa energia słoneczna powoduje wzrost energii kinetycznej cząsteczek wody w ubraniach. Wraz ze wzrostem energii kinetycznej cząsteczki wody poruszają się szybciej (prędkość cząsteczek wody wzrasta). Gdy ich prędkość lub energia kinetyczna osiągnie określoną wartość, cząsteczki wody mogą uciec przed siłami przyciągania między cząsteczkami wody i zamienić się w parę. Należy zauważyć, że suszenie mokrych ubrań nie jest zależne wyłącznie od dodatkowego ciepła słonecznego. Mokre ubrania mogą również schnąć dzięki dodatkowemu ciepłu z otaczającego je powietrza (ciepło jest przenoszone przez przewodzenie z powietrza do mokrych ubrań).
W upalny dzień grunt lub podłoga nagrzewa się szybciej. Grunt nagrzewa się szybko, ponieważ jego ciepło właściwe jest dość duże. Grunt ogrzewa powietrze nad nim (w tym przypadku przenoszenie ciepła odbywa się poprzez przewodzenie). Gorące powietrze rozszerza się (jego gęstość maleje) i unosi się ku górze. Gdy przechodzi nad mokrymi ubraniami, cząsteczki powietrza zderzają się z cząsteczkami wody w ubraniach. Cząsteczki wody poruszają się szybciej. Ponieważ poruszają się szybciej, energia kinetyczna cząsteczek wody wzrasta. Szybko poruszające się cząsteczki wody zderzają się z innymi cząsteczkami wody. Ponieważ są stale zderzane z cząsteczkami powietrza, cząsteczki wody poruszają się szybciej (ich energia kinetyczna rośnie).
Gdy ich prędkość lub energia kinetyczna osiągnie określoną wartość, szybko poruszające się cząsteczki wody mogą uciec od przyciągania między cząsteczkami i zamienić się w parę… Energia kinetyczna cząsteczek wody lub cząsteczek powietrza jest ściśle związana z temperaturą. Jeśli energia kinetyczna cząsteczek wody jest duża, to jednocześnie temperatura wody jest wysoka. Lub odwrotnie, gdy temperatura wody jest wysoka, energia kinetyczna cząsteczek wody musi być duża. Energia kinetyczna jest również związana z prędkością. Im większa energia kinetyczna cząsteczek, tym większa ich prędkość. Lub odwrotnie, im większa prędkość cząsteczek, tym większa ich energia kinetyczna.
A co z gorącą wodą? Gorąca woda ma wysoką temperaturę. Ponieważ temperatura wody jest wysoka, cząsteczki wody w wodzie mają dużą średnią energię kinetyczną. Ponieważ średnia energia kinetyczna cząsteczek wody jest duża, wiele cząsteczek wody ma duże prędkości (wiele cząsteczek wody porusza się szybko). Cząsteczki wody o dużej prędkości mogą uciec przed siłami przyciągania między cząsteczkami i zamienić się w parę. Tylko cząsteczki wody o dużej prędkości (cząsteczki wody o dużej energii kinetycznej) uciekają w parę, podczas gdy cząsteczki wody o małej prędkości (cząsteczki wody o małej energii kinetycznej) nie zamieniają się w parę. Tak więc, gdy cząsteczki wody o dużej prędkości zamieniają się w parę, średnia energia kinetyczna cząsteczek wody, które pozostają razem, staje się mniejsza. Im mniejsza średnia energia kinetyczna, tym niższa temperatura wody (woda staje się zimniejsza). Na podstawie tego krótkiego opisu można powiedzieć, że parowanie jest procesem chłodzenia.
Proces chłodzenia spowodowany parowaniem jest powszechnym zjawiskiem w życiu codziennym. Gdy powietrze jest bardzo gorące, ciało pochłania dużo ciepła. Aby utrzymać stałą temperaturę ciała, ciało zazwyczaj oddaje ciepło poprzez pot. Ponieważ pot otrzymuje dodatkowe ciepło ze słońca i otaczającego powietrza, energia kinetyczna cząsteczek potu wzrasta. Wraz ze wzrostem energii kinetycznej cząsteczek potu wzrasta prędkość cząsteczek potu. Cząsteczki potu zamieniają się w parę. Kiedy pot paruje, ciało odczuwa chłód. Oto inny przykład... Zwykle po prysznicu nasze ciało odczuwa chłód. Dzieje się tak, ponieważ woda, która przylega do powierzchni skóry, ulega parowaniu.
Opisany powyżej proces parowania zachodzi codziennie. Woda morska, jeziorna i rzeczna również może parować…
Prężność pary
Przez parę rozumiemy tutaj parę wodną. Spójrz na obrazek. Zamknięty pojemnik wypełniony wodą (załóżmy, że z pojemnika usunięto powietrze). Zgodnie z teorią kinetyczną, cząsteczki wody zawsze się poruszają. Podczas ruchu cząsteczki wody mają prędkość i energię kinetyczną. Cząsteczki wody, które mają wystarczającą prędkość i energię kinetyczną, mogą uciec przed siłami przyciągania między cząsteczkami wody i zamienić się w parę... Ten sam proces zachodzi w cząsteczkach wody w pojemniku obok. Z upływem czasu coraz więcej cząsteczek wody zamienia się w parę. Ponieważ pojemnik jest zamknięty, cząsteczki wody, które zamieniły się w parę, nie mogą uciec do atmosfery (cząsteczki są uwięzione w pojemniku). Liczba cząsteczek wody, które zamieniają się w parę, jest wystarczająco duża, że istnieje możliwość zderzeń między cząsteczkami a ściankami pojemnika.
Niektóre cząsteczki, które uderzają w ścianki naczynia, odbijają się z powrotem na powierzchnię wody i łączą się, tworząc wodę. Ten proces powtarza się nieustannie. Z upływem czasu coraz więcej cząsteczek wody zamienia się w parę (z cieczy w parę). Jednocześnie niektóre cząsteczki, które uderzają w ścianki naczynia, zamieniają się z powrotem w wodę (z pary w ciecz). Jeśli liczba cząsteczek przechodzących z cieczy w parę jest równa liczbie cząsteczek przechodzących z pary w ciecz, wówczas nastąpi stan równowagi. Gdy nastąpi stan równowagi, górna część naczynia zawierającego parę jest nazywana nasyconym… Ciśnienie pary w obszarze nasyconym jest znane jako ciśnienie pary nasyconej.
Przemiana cieczy w parę nazywa się parowaniem. Przemiana pary w ciecz nazywa się kondensacją. Należy pamiętać, że prężność pary nasyconej zależy tylko od temperatury, a nie od objętości. Wraz ze wzrostem temperatury wody rośnie energia kinetyczna cząsteczek wody.
Energia kinetyczna cząsteczek wody rośnie, więc ich prędkość musi rosnąć. W ten sposób coraz więcej cząsteczek o dużej prędkości będzie parować (zmieniać stan skupienia z cieczy w parę). Ponieważ objętość pojemnika jest stała, ciśnienie pary zależy jedynie od liczby cząsteczek (N) i prędkości (v).
Im więcej cząsteczek (im większe N) przekształca się w parę i im większa prędkość tych cząsteczek (im większe v), tym bardziej wzrasta prężność pary. Zatem równowaga wystąpi przy wyższej prężności pary. W związku z tym wzrośnie również prężność pary nasyconej. Prężność pary nasyconej istnieje tylko po osiągnięciu stanu równowagi. Poniżej przedstawiono zmianę prężności pary nasyconej wody w zależności od temperatury.
Prężność pary wodnej zależy od objętości, ale prężność pary nasyconej nie. Jeśli objętość pojemnika wzrasta lub maleje, stan równowagi zostanie ostatecznie osiągnięty. Powyższa ilustracja ma jedynie na celu pomóc w zrozumieniu prężności pary nasyconej występującej w atmosferze. Różnica polega na tym, że w poprzedniej ilustracji założyliśmy, że w części pojemnika, która nie zawierała wody, nie było powietrza. Dlatego część pojemnika, która nie zawierała wody, była zajmowana wyłącznie przez parę wodną. Natomiast powierzchnia Ziemi jest zawsze wypełniona powietrzem. Zderzenia między cząsteczkami pary wodnej i innymi cząsteczkami gazu jedynie wydłużają czas potrzebny do osiągnięcia równowagi. Jednak równowaga zostanie ostatecznie osiągnięta, gdy liczba cząsteczek wody, które przekształcają się w parę, będzie równa liczbie cząsteczek pary, które przekształcają się w wodę.
