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 рассеиваться, поскольку притяжение между молекулами все еще удерживает их вместе. Напротив, притяжение между молекулами газа является слабым, поэтому молекулы газа не могут сливаться. При движении молекулы воды имеют скорость. Существуют молекулы воды с высокой скоростью; существуют также молекулы воды с низкой скоростью. Распределение скоростей молекул воды напоминает распределение Максвелла.
Испарение происходит, когда скорость молекул воды становится достаточно большой, чтобы сила притяжения между ними перестала удерживать их вместе. Подобно ракетам, движущимся в космос, скорость ракеты достаточно велика, чтобы сила гравитации Земли не могла удержать её на Земле. Следует отметить, что только молекулы с большими скоростями могут преодолеть силу притяжения между собой. Молекулы с малыми скоростями остаются вместе, как вода.
Молекулы воды обладают массой и скоростью, поэтому они имеют кинетическую энергию (EK = 1/2 m v²). Молекулы воды, движущиеся с высокой скоростью, обладают большей кинетической энергией, чем молекулы воды, движущиеся с низкой скоростью. Таким образом, можно утверждать, что молекулы воды, способные преодолеть притяжение между молекулами (молекулы воды, превращающиеся в пар), обладают значительной 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, показывающих, что скорость испарения обычно выше при высоких температурах.
Когда мы сушим мокрую одежду на солнце, она поглощает тепло, излучаемое солнцем. Добавление солнечной энергии приводит к увеличению кинетической энергии молекул воды в одежде. Поскольку кинетическая энергия увеличивается, молекулы воды движутся быстрее (скорость молекул воды возрастает). После того, как скорость или кинетическая энергия достигают определенного значения, молекулы воды могут преодолеть притяжение между собой и превратиться в пар. Следует отметить, что сушка мокрой одежды происходит не только под воздействием солнечного тепла. Мокрая одежда также может высохнуть благодаря дополнительному теплу от теплого воздуха вокруг нее (тепло передается от воздуха к мокрой одежде путем теплопроводности).
В жаркий день земля нагревается. Земля нагревает воздух над собой (в данном случае, теплопередача происходит путем проводимости). Горячий воздух расширяется (плотность уменьшается) и поднимается вверх. При прохождении через мокрую одежду молекулы воды сталкиваются с молекулами воды внутри одежды. Чем быстрее движутся молекулы воды, тем больше их кинетическая энергия. Быстро движущиеся молекулы воды сталкиваются с другими молекулами воды. Поскольку они постоянно сталкиваются с молекулами воздуха, молекулы воды движутся быстрее (кинетическая энергия увеличивается). Как только скорость или кинетическая энергия достигают определенного значения, быстро движущиеся молекулы воды могут преодолеть притяжение между молекулами и превратиться в пар. Кинетическая энергия молекул воды 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 выше кинетическая энергия молекулы, тем выше ее скорость. Или наоборот, чем выше скорость молекулы, тем выше ее кинетическая энергия.
А что насчет горячей воды? Горячая вода имеет высокую температуру. Из-за высокой температуры воды молекулы воды обладают довольно средней кинетической энергией. Благодаря значительной средней кинетической энергии молекул воды, многие из них имеют высокую скорость. Молекулы воды, двигаясь с большой скоростью, могут преодолевать силу притяжения между молекулами и превращаться в пар. 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 молекул воды уменьшается. Чем меньше средняя кинетическая энергия, тем ниже температура воды. На основании этого краткого описания можно утверждать, что испарение — это процесс охлаждения.
Процесс охлаждения за счет испарения постоянно наблюдается в повседневной жизни. Когда воздух достаточно горячий, тело поглощает большое количество тепла. Для поддержания постоянной температуры тела организм обычно выделяет тепло через пот. Поскольку пот получает дополнительное тепло от солнца и окружающего воздуха, кинетическая энергия молекул воды в поте увеличивается. По мере увеличения кинетической энергии молекул воды в поте увеличивается и их скорость. Молекулы пота превращаются в пар. Когда пот испаряется, тело ощущает прохладу.
Как правило, после принятия ванны наше тело ощущает прохладу. Это происходит потому, что вода, прилипшая к поверхности кожи, испаряется.
Описанный ранее процесс испарения происходит постоянно, каждый день. Испаряться может также морская, озерная и речная вода.
Давление газа
Под паром здесь подразумевается водяной пар. Посмотрите на рисунок. Закрытый контейнер, заполненный водой (предположим, что воздух внутри контейнера удален). Согласно кинетической теории, молекулы воды всегда движутся. При движении молекулы воды обладают скоростью и энергией. Молекулы воды, обладающие скоростью и большой кинетической энергией, преодолевают силу притяжения между молекулами воды и превращаются в пар.
Аналогичный процесс происходит с молекулами воды в контейнере. С течением времени всё больше и больше молекул воды превращаются в пар. Поскольку контейнер закрыт, молекулы воды, превратившиеся в пар, не могут выйти в атмосферу (молекулы остаются запертыми внутри контейнера). Количество молекул воды, превращающихся в пар, довольно велико, поэтому существует вероятность столкновений между молекулами и стенками контейнера.
Некоторые молекулы, ударяясь о стенки сосуда, отражаются к поверхности воды и сливаются с ней. Этот процесс непрерывно повторяется. С течением времени все больше и больше молекул воды превращаются в пар (переходя из жидкости в газ). В то же время некоторые молекулы, сталкиваясь со стенками сосуда, снова превращаются в воду (переходя из пара в жидкость). Если количество молекул, переходящих из жидкости в газ, равно количеству молекул, переходящих из пара в жидкость, то достигается равновесие. Когда достигается равновесие, говорят, что верхняя часть сосуда, содержащая газ, насыщена. Давление пара в насыщенной области называется давлением насыщенного пара.
Переход из жидкого состояния в парообразное называется испарением. Однако переход из парообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Следует отметить, что давление насыщенного пара зависит исключительно от температуры и не зависит от объема. При повышении температуры воды увеличивается кинетическая энергия молекул воды.
Кинетическая энергия молекул воды возрастает, поэтому скорость молекул воды должна увеличиваться. Таким образом, все больше и больше высокоскоростных молекул будут превращаться в пар (переходя из жидкости в пар). Поскольку объем контейнера постоянен, давление пара зависит исключительно от количества молекул (Н) и скорости (v).
Чем больше молекул превращается в пар и чем выше скорость этих молекул, тем выше и давление пара. Таким образом, равновесие достигается при более высоком давлении пара. Следовательно, давление насыщенного пара также выше. Давление насыщенного пара существует только тогда, когда достигается равновесие.
Давление пара зависит от объема, но давление насыщенного пара не зависит от объема. При увеличении или уменьшении объема контейнера устанавливается равновесие. Приведенная выше иллюстрация призвана лишь показать вам, какое давление насыщенного пара существует в атмосфере. Разница заключается в том, что в предыдущем примере мы предположили, что в той части контейнера, которая не содержит воды, воды нет. Следовательно, та часть резервуара, которая не содержит воды, занята только водяным паром. С другой стороны, поверхность Земли всегда заполнена воздухом. Столкновения между молекулами пара и другими молекулами газа лишь продлевают равновесие. Однако в какой-то момент равновесие будет установлено, если количество молекул воды, превращающихся в пар, будет равно количеству молекул пара, превращающихся в воду.
