Teoria cinetică
Procesul de evaporare poate fi explicat folosind teoria cinetică. La fel ca moleculele de gaz, și moleculele de apă se mișcă. Diferența este că moleculele de apă nu se pot separa deoarece forțele atractive dintre ele sunt încă capabile să le țină împreună. În schimb, forțele atractive dintre moleculele de gaz sunt foarte slabe, așa că moleculele de gaz nu se pot lipi între ele. Atunci când se mișcă, moleculele de apă au viteză. Unele molecule de apă au viteze mari, în timp ce altele au viteze mici. Distribuția vitezelor moleculelor de apă seamănă cu distribuția Maxwell.
Evaporarea are loc atunci când viteza moleculelor de apă este suficient de mare, astfel încât forța atractivă dintre moleculele de apă nu le poate ține împreună. Similar unei rachete care se deplasează în spațiu, viteza rachetei este suficient de mare, astfel încât forța gravitațională a Pământului nu o poate împiedica să rămână pe Pământ. Trebuie menționat că doar moleculele care au viteze mari pot scăpa de forțele atractive dintre molecule. Moleculele cu viteze mici se combină totuși pentru a forma apă.
Moleculele de apă au masă și viteză, astfel încât moleculele de apă au energie cinetică (EK = 1/2 mv)2Moleculele de apă cu viteze mari au o energie cinetică mai mare decât moleculele de apă cu viteze mici. Prin urmare, se poate spune că moleculele de apă care pot scăpa de forțele atractive dintre molecule (moleculele de apă care se transformă în vapori) au o energie cinetică destul de mare. De obicei, energia cinetică a moleculelor de apă crește odată cu creșterea temperaturii apei. Dacă temperatura apei este suficient de mare, energia cinetică a moleculelor de apă crește. Astfel, mai multă apă se va transforma în vapori. Acest lucru este în concordanță cu rezultatele cercetărilor care arată că rata de evaporare este de obicei mai mare la temperaturi ridicate.
Când uscăm hainele ude la soare, acestea absorb căldura emisă de soare. Energia suplimentară de la soare face ca energia cinetică a moleculelor de apă din haine să crească. Deoarece energia cinetică crește, moleculele de apă se mișcă mai repede (viteza moleculelor de apă crește). Odată ce viteza sau energia lor cinetică atinge o anumită valoare, moleculele de apă pot scăpa de forțele atractive dintre moleculele de apă, apoi se pot transforma în abur. Este important de reținut că uscarea hainelor ude nu este influențată doar de căldura suplimentară de la soare. Hainele ude se pot usca și datorită căldurii suplimentare de la aerul cald din jurul hainelor (transferuri de căldură prin conducție de la aer la hainele ude).
Într-o zi călduroasă, pământul sau podeaua se încălzește mai repede. Pământul se încălzește repede deoarece căldura sa specifică este destul de mare. Pământul încălzește aerul de deasupra sa (în acest caz, transferul de căldură are loc prin conducție). Aerul cald se dilată (densitatea sa scade) și se deplasează în sus. Când trece peste hainele ude, moleculele de aer se ciocnesc de moleculele de apă din haine. Moleculele de apă se mișcă mai repede. Deoarece se mișcă mai repede, energia cinetică a moleculelor de apă crește. Moleculele de apă care se mișcă rapid se ciocnesc de alte molecule de apă. Deoarece sunt ciocnite continuu de moleculele de aer, moleculele de apă se mișcă mai repede (energia lor cinetică crește).
Odată ce viteza sau energia lor cinetică atinge o anumită valoare, moleculele de apă care se mișcă rapid pot scăpa de atracția dintre molecule și se pot transforma în abur... Energia cinetică a moleculelor de apă sau a moleculelor de aer este strâns legată de temperatură. Dacă energia cinetică a moleculelor de apă este mare, atunci, în același timp, temperatura apei este ridicată. Sau invers, când temperatura apei este ridicată, energia cinetică a moleculelor de apă trebuie să fie mare. Energia cinetică este, de asemenea, legată de viteză. Cu cât energia cinetică a moleculelor este mai mare, cu atât viteza moleculelor este mai mare. Sau invers, cu cât viteza moleculelor este mai mare, cu atât energia cinetică a moleculelor este mai mare.
Dar apa caldă? Apa caldă are o temperatură ridicată. Deoarece temperatura apei este ridicată, moleculele de apă din apă au o energie cinetică medie mare. Deoarece energia cinetică medie a moleculelor de apă este mare, multe molecule de apă au viteze mari (multe molecule de apă se mișcă rapid). Moleculele de apă care au viteză mare pot scăpa de forțele atractive dintre molecule și se pot transforma în abur. Doar moleculele de apă cu viteză mare (molecule de apă cu energie cinetică mare) se transformă în abur, în timp ce moleculele de apă cu viteză mică (molecule de apă cu energie cinetică mică) nu se transformă în abur. Astfel, atunci când moleculele de apă cu viteză mare se transformă în abur, energia cinetică medie a moleculelor de apă care rămân împreună devine mai mică. Cu cât energia cinetică medie este mai mică, cu atât temperatura apei este mai scăzută (apa devine mai rece). Pe baza acestei scurte descrieri, se poate spune că evaporarea este un proces de răcire.
Procesul de răcire cauzat de evaporare este un fenomen frecvent în viața de zi cu zi. Când aerul este destul de fierbinte, corpul absoarbe multă căldură. Pentru a menține o temperatură constantă a corpului, corpul eliberează de obicei căldură prin transpirație. Deoarece transpirația primește căldură suplimentară de la soare și de la aerul înconjurător, energia cinetică a moleculelor de transpirație crește. Deoarece energia cinetică a moleculelor de transpirație crește, viteza moleculelor de transpirație crește. Moleculele de transpirație se transformă în vapori. Când transpirația se evaporă, corpul se simte răcoros. Iată un alt exemplu... De obicei, după un duș, corpul nostru se simte răcoros. Acest lucru se datorează faptului că apa care lipește de suprafața pielii suferă evaporare.
Procesul de evaporare descris mai sus are loc zilnic. Apa de mare, apa lacurilor și apa râurilor se pot evapora și ele…
Presiunea de vapori
Prin abur se înțelege aici vaporii de apă. Observați imaginea. Un recipient închis umplut cu apă (presupunând că aerul din recipient a fost îndepărtat). Conform teoriei cinetice, moleculele de apă sunt mereu în mișcare. Atunci când se mișcă, moleculele de apă au viteză și energie cinetică. Moleculele de apă care au suficientă viteză și energie cinetică pot scăpa de forțele atractive dintre moleculele de apă și se pot transforma în abur... Același proces se întâmplă și cu moleculele de apă din recipientul de lângă acesta. Pe măsură ce timpul trece, tot mai multe molecule de apă se transformă în abur. Deoarece recipientul este închis, moleculele de apă care s-au transformat în abur nu pot scăpa în atmosferă (moleculele sunt prinse în recipient). Numărul de molecule de apă care se transformă în abur este suficient de mare încât să existe posibilitatea unor coliziuni între molecule și pereții recipientului.
Unele dintre moleculele care lovesc pereții recipientului vor fi reflectate înapoi la suprafața apei și se vor combina pentru a forma apă. Acest proces se repetă continuu. Pe măsură ce timpul trece, tot mai multe molecule de apă se vor transforma în vapori (se vor transforma din lichid în vapori). În același timp, unele dintre moleculele care lovesc pereții recipientului se vor transforma înapoi în apă (se vor transforma din vapori în lichid). Dacă numărul de molecule care se transformă din lichid în vapori este egal cu numărul de molecule care se transformă din vapori în lichid, atunci se va produce echilibrul. Când se produce echilibrul, se spune că partea superioară a recipientului care conține vapori este saturată... Presiunea de vapori din regiunea saturată este cunoscută sub numele de presiune de vapori saturați.
Trecerea de la lichid la vapori se numește evaporare. Trecerea de la vapori la lichid se numește condensare. Rețineți că presiunea de vapori saturați depinde doar de temperatură și nu de volum. Pe măsură ce temperatura apei crește, energia cinetică a moleculelor de apă crește.
Energia cinetică a moleculelor de apă crește, astfel încât viteza moleculelor de apă trebuie să crească. În acest fel, tot mai multe molecule cu viteză mare se vor transforma în vapori (își vor schimba starea din lichid în vapori). Deoarece volumul recipientului este fix, presiunea de vapori depinde doar de numărul de molecule (N) și de viteză (v).
Cu cât mai multe molecule (cu cât N este mai mare) se transformă în vapori și cu cât viteza acestor molecule este mai mare (cu cât v este mai mare), cu atât presiunea de vapori crește. Astfel, echilibrul va apărea la o presiune de vapori mai mare. Prin urmare, și presiunea de vapori saturați va crește. Presiunea de vapori saturați există numai atunci când se atinge echilibrul. Următoarele prezintă modificarea presiunii de vapori saturați a apei în funcție de temperatură.
Presiunea de vapori depinde de volum, dar presiunea de vapori saturați nu. Dacă volumul unui recipient crește sau scade, în cele din urmă se va atinge echilibrul. Ilustrația de mai sus are scopul de a vă ghida în înțelegerea presiunii de vapori saturați care apare în atmosferă. Diferența constă în faptul că, în ilustrația anterioară, am presupus că nu exista aer în partea recipientului care nu conținea apă. Prin urmare, partea recipientului care nu conținea apă era ocupată doar de vapori de apă. În schimb, suprafața Pământului este întotdeauna umplută cu aer. Coliziunile dintre moleculele de vapori și alte molecule de gaz nu fac decât să prelungească timpul necesar pentru ca echilibrul să atingă echilibrul. Cu toate acestea, echilibrul va fi atins în cele din urmă atunci când numărul de molecule de apă care se transformă în vapori este egal cu numărul de molecule de vapori care se transformă în apă.
