Кинетическая теория
Процесс испарения можно объяснить с помощью кинетической теории. Как и молекулы газа, молекулы воды также движутся. Разница заключается в том, что молекулы воды не могут разделиться, поскольку силы притяжения между ними все еще способны удерживать их вместе. В отличие от этого, силы притяжения между молекулами газа очень слабые, поэтому молекулы газа не могут слипаться. При движении молекулы воды имеют скорость. Некоторые молекулы воды развивают высокие скорости, а другие — низкие. Распределение скоростей молекул воды напоминает распределение Максвелла.
Испарение происходит, когда скорость молекул воды становится достаточно большой, так что сила притяжения между ними не может удерживать их вместе. Подобно ракете, движущейся в космос, скорость ракеты достаточно велика, чтобы сила гравитации Земли не могла удержать её на Земле. Следует отметить, что только молекулы с большими скоростями способны преодолеть силу притяжения между ними. Молекулы с малыми скоростями всё ещё соединяются, образуя воду.
Молекулы воды обладают массой и скоростью, то есть имеют кинетическую энергию (EK = 1/2 mv² ) . Молекулы воды с высокой скоростью обладают большей кинетической энергией, чем молекулы воды с низкой скоростью. Таким образом, можно сказать, что молекулы воды, способные преодолеть силы притяжения между молекулами (молекулы воды, превращающиеся в пар), обладают довольно большой кинетической энергией. Обычно кинетическая энергия молекул воды увеличивается с повышением температуры воды. Если температура воды достаточно высока, кинетическая энергия молекул воды возрастает. Следовательно, больше воды превратится в пар. Это согласуется с результатами исследований, показывающими, что скорость испарения обычно выше при высоких температурах.
Когда мы сушим мокрую одежду на солнце, она поглощает тепло, излучаемое солнцем. Дополнительная энергия солнца приводит к увеличению кинетической энергии молекул воды в одежде. Поскольку кинетическая энергия увеличивается, молекулы воды движутся быстрее (скорость молекул воды возрастает). Как только их скорость или кинетическая энергия достигает определенного значения, молекулы воды могут преодолеть силы притяжения между собой и превратиться в пар. Важно отметить, что на сушку мокрой одежды влияет не только дополнительное тепло от солнца. Мокрая одежда также может высыхать за счет дополнительного тепла от теплого воздуха вокруг нее (тепло передается от воздуха к мокрой одежде путем теплопроводности).
В жаркий день земля или пол нагреваются быстрее. Земля нагревается быстро, потому что её удельная теплоемкость довольно высока. Земля нагревает воздух над собой (в этом случае теплопередача происходит путем проводимости). Горячий воздух расширяется (его плотность уменьшается) и поднимается вверх. При прохождении над мокрой одеждой молекулы воздуха сталкиваются с молекулами воды в одежде. Молекулы воды движутся быстрее. Из-за этого их кинетическая энергия увеличивается. Быстро движущиеся молекулы воды сталкиваются с другими молекулами воды. Поскольку они постоянно сталкиваются с молекулами воздуха, молекулы воды движутся быстрее (их кинетическая энергия увеличивается).
Как только их скорость или кинетическая энергия достигают определенного значения, быстро движущиеся молекулы воды могут преодолеть притяжение между собой и превратиться в пар… Кинетическая энергия молекул воды или воздуха тесно связана с температурой. Если кинетическая энергия молекул воды велика, то одновременно высока и температура воды. Или наоборот, когда температура воды высока, кинетическая энергия молекул воды должна быть велика. Кинетическая энергия также связана со скоростью. Чем больше кинетическая энергия молекул, тем больше их скорость. Или наоборот, чем больше скорость молекул, тем больше их кинетическая энергия.
А что насчет горячей воды? Горячая вода имеет высокую температуру. Из-за высокой температуры воды молекулы воды обладают большой средней кинетической энергией. Поскольку средняя кинетическая энергия молекул воды велика, многие молекулы воды движутся с высокой скоростью (многие молекулы воды движутся быстро). Молекулы воды с высокой скоростью могут преодолевать силы притяжения между молекулами и превращаться в пар. Только молекулы воды с высокой скоростью (молекулы воды с большой кинетической энергией) превращаются в пар, тогда как молекулы воды с низкой скоростью (молекулы воды с малой кинетической энергией) не превращаются в пар. Таким образом, когда молекулы воды с высокой скоростью превращаются в пар, средняя кинетическая энергия оставшихся вместе молекул воды уменьшается. Чем меньше средняя кинетическая энергия, тем ниже температура воды (вода становится холоднее). Исходя из этого краткого описания, можно сказать, что испарение — это процесс охлаждения.
Процесс охлаждения, вызванный испарением, — обычное явление в повседневной жизни. Когда воздух достаточно горячий, тело поглощает много тепла. Для поддержания постоянной температуры тела оно обычно выделяет тепло через пот. Поскольку пот получает дополнительное тепло от солнца и окружающего воздуха, кинетическая энергия молекул пота увеличивается. Из-за увеличения кинетической энергии молекул пота увеличивается и их скорость. Молекулы пота превращаются в пар. Когда пот испаряется, тело чувствует прохладу. Вот ещё один пример... Обычно после душа наше тело чувствует прохладу. Это происходит потому, что вода, которая остаётся на поверхности кожи, испаряется.
Описанный выше процесс испарения происходит ежедневно. Морская вода, вода из озер и рек также могут испаряться…
Давление пара
Под паром здесь подразумевается водяной пар. Посмотрите на картинку. Закрытый контейнер, заполненный водой (предположим, воздух из контейнера удален). Согласно кинетической теории, молекулы воды всегда движутся. В движении молекулы воды обладают скоростью и кинетической энергией. Молекулы воды, обладающие достаточной скоростью и кинетической энергией, могут преодолеть силы притяжения между молекулами воды и превратиться в пар... Тот же процесс происходит с молекулами воды в соседнем контейнере. С течением времени все больше и больше молекул воды превращаются в пар. Поскольку контейнер закрыт, молекулы воды, превратившиеся в пар, не могут выйти в атмосферу (молекулы остаются запертыми в контейнере). Количество молекул воды, превращающихся в пар, достаточно велико, чтобы существовала возможность столкновений между молекулами и стенками контейнера.
Часть молекул, ударяющихся о стенки сосуда, отражается обратно к поверхности воды и соединяется, образуя воду. Этот процесс непрерывно повторяется. С течением времени все больше и больше молекул воды превращаются в пар (переходят из жидкости в пар). В то же время часть молекул, ударяющихся о стенки сосуда, снова превращается в воду (переходят из пара в жидкость). Если количество молекул, переходящих из жидкости в пар, равно количеству молекул, переходящих из пара в жидкость, то устанавливается равновесие. Когда достигается равновесие, верхняя часть сосуда, содержащая пар, называется насыщенной… Давление пара в насыщенной области называется давлением насыщенного пара.
Переход из жидкого состояния в парообразное называется испарением. Переход из парообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Следует отметить, что давление насыщенного пара зависит только от температуры, а не от объема. С повышением температуры воды кинетическая энергия молекул воды возрастает.
Кинетическая энергия молекул воды возрастает, поэтому скорость молекул воды должна увеличиваться. Таким образом, все больше и больше молекул с высокой скоростью будут превращаться в пар (переходить из жидкого состояния в газообразное). Поскольку объем контейнера постоянен, давление пара зависит только от количества молекул (Н) и скорости (v).
Чем больше молекул (чем больше N), превращающихся в пар, и чем выше скорость этих молекул (чем больше v), тем больше увеличивается давление пара. Таким образом, равновесие будет достигаться при более высоком давлении пара. Следовательно, давление насыщенного пара также увеличится. Давление насыщенного пара существует только тогда, когда достигается равновесие. Ниже показано изменение давления насыщенного пара воды в зависимости от температуры.
Давление пара зависит от объема, а давление насыщенного пара — нет. Если объем контейнера увеличивается или уменьшается, в конечном итоге будет достигнуто равновесие. Приведенная выше иллюстрация призвана лишь помочь вам понять давление насыщенного пара, существующее в атмосфере. Разница заключается в том, что в предыдущей иллюстрации мы предполагали отсутствие воздуха в той части контейнера, которая не содержала воды. Следовательно, часть контейнера, не содержащая воды, была занята только водяным паром. В отличие от этого, поверхность Земли всегда заполнена воздухом. Столкновения между молекулами пара и другими молекулами газа лишь увеличивают время, необходимое для достижения равновесия. Однако равновесие в конечном итоге будет достигнуто, когда количество молекул воды, превращающихся в пар, будет равно количеству молекул пара, превращающихся в воду.
