Kinetická teória
Proces odparovania možno vysvetliť pomocou kinetickej teórie. Rovnako ako molekuly plynu, aj molekuly vody sa pohybujú. Rozdiel je v tom, že molekuly vody sa nemôžu oddeliť, pretože príťažlivé sily medzi nimi ich stále dokážu držať pohromade. Naproti tomu príťažlivé sily medzi molekulami plynu sú veľmi slabé, takže molekuly plynu sa nemôžu zlepiť. Pri pohybe majú molekuly vody rýchlosť. Niektoré molekuly vody majú vysoké rýchlosti, zatiaľ čo iné majú nízke rýchlosti. Rozloženie rýchlostí molekúl vody sa podobá Maxwellovmu rozdeleniu.
K odparovaniu dochádza, keď je rýchlosť molekúl vody dostatočne veľká, takže príťažlivá sila medzi molekulami vody ich nedokáže udržať pohromade. Podobne ako raketa pohybujúca sa do vesmíru, rýchlosť rakety je dostatočne veľká, takže zemská gravitačná sila ju nedokáže zastaviť na Zemi. Treba poznamenať, že iba molekuly s veľkými rýchlosťami sa dokážu vymaniť z pôsobenia príťažlivých síl medzi molekulami. Molekuly s malými rýchlosťami sa stále spájajú a tvoria vodu.
Molekuly vody majú hmotnosť a rýchlosť, takže molekuly vody majú kinetickú energiu (EK = 1/2 mv 2 ). Molekuly vody, ktoré majú vysoké rýchlosti, majú väčšiu kinetickú energiu ako molekuly vody, ktoré majú nízke rýchlosti. Dá sa teda povedať, že molekuly vody, ktoré dokážu uniknúť príťažlivým silám medzi molekulami (molekuly vody, ktoré sa premieňajú na paru), majú pomerne veľkú kinetickú energiu. Kinetická energia molekúl vody sa zvyčajne zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou vody. Ak je teplota vody dostatočne vysoká, kinetická energia molekúl vody sa zvyšuje. Preto sa na paru premení viac vody. To je v súlade s výsledkami výskumu, ktoré ukazujú, že rýchlosť odparovania je zvyčajne vyššia pri vysokých teplotách.
Keď sušíme mokré oblečenie na slnku, absorbuje teplo vyžarované slnkom. Dodatočná energia zo slnka spôsobuje zvýšenie kinetickej energie molekúl vody v oblečení. Pretože sa kinetická energia zvyšuje, molekuly vody sa pohybujú rýchlejšie (rýchlosť molekúl vody sa zvyšuje). Keď ich rýchlosť alebo kinetická energia dosiahne určitú hodnotu, molekuly vody môžu uniknúť príťažlivým silám medzi molekulami vody a potom sa premeniť na paru. Je dôležité poznamenať, že sušenie mokrého oblečenia nie je ovplyvnené len dodatočným teplom zo slnka. Mokré oblečenie môže schnúť aj vďaka dodatočnému teplu z teplého vzduchu okolo oblečenia (teplo sa prenáša vedením zo vzduchu na mokré oblečenie).
V horúcom dni sa zem alebo podlaha zahrieva rýchlejšie. Zem sa zahrieva rýchlejšie, pretože jej merné teplo je pomerne veľké. Zem ohrieva vzduch nad ňou (v tomto prípade dochádza k prenosu tepla vedením). Horúci vzduch sa rozpína (jeho hustota sa znižuje) a pohybuje sa nahor. Keď prechádza cez mokré oblečenie, molekuly vzduchu sa zrážajú s molekulami vody v oblečení. Molekuly vody sa pohybujú rýchlejšie. Pretože sa pohybujú rýchlejšie, kinetická energia molekúl vody sa zvyšuje. Rýchlo sa pohybujúce molekuly vody sa zrážajú s inými molekulami vody. Pretože s nimi molekuly vzduchu neustále narážajú, molekuly vody sa pohybujú rýchlejšie (ich kinetická energia sa zvyšuje).
Keď ich rýchlosť alebo kinetická energia dosiahne určitú hodnotu, rýchlo sa pohybujúce molekuly vody sa môžu vyhnúť príťažlivosti medzi molekulami a premeniť sa na paru… Kinetická energia molekúl vody alebo molekúl vzduchu úzko súvisí s teplotou. Ak je kinetická energia molekúl vody veľká, potom je zároveň teplota vody vysoká. Alebo naopak, keď je teplota vody vysoká, kinetická energia molekúl vody musí byť veľká. Kinetická energia tiež súvisí s rýchlosťou. Čím väčšia je kinetická energia molekúl, tým väčšia je rýchlosť molekúl. Alebo naopak, čím väčšia je rýchlosť molekúl, tým väčšia je kinetická energia molekúl.
A čo horúca voda? Horúca voda má vysokú teplotu. Pretože teplota vody je vysoká, molekuly vody vo vode majú veľkú priemernú kinetickú energiu. Pretože priemerná kinetická energia molekúl vody je veľká, mnohé molekuly vody majú vysoké rýchlosti (mnohé molekuly vody sa pohybujú rýchlo). Molekuly vody, ktoré majú vysokú rýchlosť, sa môžu uvoľniť z príťažlivých síl medzi molekulami a premeniť sa na paru. Iba molekuly vody s vysokou rýchlosťou (molekuly vody s veľkou kinetickou energiou) unikajú do pary, zatiaľ čo molekuly vody s nízkou rýchlosťou (molekuly vody s malou kinetickou energiou) sa na paru nepremenia. Keď sa teda molekuly vody s vysokou rýchlosťou premenia na paru, priemerná kinetická energia molekúl vody, ktoré zostávajú pohromade, sa zmenší. Čím menšia je priemerná kinetická energia, tým nižšia je teplota vody (voda sa stáva chladnejšou). Na základe tohto stručného opisu možno povedať, že odparovanie je proces ochladzovania.
Proces ochladzovania spôsobený odparovaním je v každodennom živote bežným javom. Keď je vzduch dosť horúci, telo absorbuje veľa tepla. Aby si udržalo konštantnú telesnú teplotu, telo zvyčajne uvoľňuje teplo potením. Pretože pot prijíma dodatočné teplo zo slnka a okolitého vzduchu, kinetická energia molekúl potu sa zvyšuje. Pretože kinetická energia molekúl potu sa zvyšuje, zvyšuje sa aj rýchlosť molekúl potu. Molekuly potu sa premieňajú na paru. Keď sa pot odparuje, telo sa cíti chladne. Tu je ďalší príklad... Po sprche sa naše telo zvyčajne cíti chladne. Je to preto, že voda, ktorá sa prilepí na povrch pokožky, sa odparuje.
Vyššie opísaný proces odparovania prebieha každý deň. Môže sa odparovať aj morská voda, jazerná voda a riečna voda…
Tlak pár
Pod pojmom para sa tu myslí vodná para. Pozorujte obrázok. Uzavretá nádoba naplnená vodou (predpokladajme, že vzduch v nádobe bol odstránený). Podľa kinetickej teórie sa molekuly vody neustále pohybujú. Pri pohybe majú molekuly vody rýchlosť a kinetickú energiu. Molekuly vody, ktoré majú dostatočnú rýchlosť a kinetickú energiu, sa môžu uvoľniť z príťažlivých síl medzi molekulami vody a premeniť sa na paru... Rovnaký proces prebieha s molekulami vody v nádobe vedľa nej. Postupom času sa stále viac a viac molekúl vody premieňa na paru. Pretože je nádoba uzavretá, molekuly vody, ktoré sa premenili na paru, nemôžu uniknúť do atmosféry (molekuly sú zachytené v nádobe). Počet molekúl vody, ktoré sa premenia na paru, je dostatočne veľký, takže existuje možnosť zrážok medzi molekulami a stenami nádoby.
Niektoré z molekúl, ktoré narazia na steny nádoby, sa odrážajú späť na povrch vody a spoja sa za vzniku vody. Tento proces sa neustále opakuje. Postupom času sa stále viac a viac molekúl vody premení na paru (z kvapaliny na paru). Zároveň sa niektoré molekuly, ktoré narazia na steny nádoby, premenia späť na vodu (z pary na kvapalinu). Ak je počet molekúl prechádzajúcich z kvapaliny na paru rovný počtu molekúl prechádzajúcich z pary na kvapalinu, potom dôjde k rovnováhe. Keď dôjde k rovnováhe, hovoríme, že vrch nádoby obsahujúcej paru je nasýtený... Tlak pary v nasýtenej oblasti sa nazýva tlak nasýtených pár.
Prechod z kvapaliny na paru sa nazýva vyparovanie. Prechod z pary na kvapalinu sa nazýva kondenzácia. Treba poznamenať, že tlak nasýtenej pary závisí iba od teploty a nie od objemu. So zvyšujúcou sa teplotou vody sa zvyšuje kinetická energia molekúl vody.
Kinetická energia molekúl vody sa zvyšuje, takže sa musí zvyšovať aj ich rýchlosť. Týmto spôsobom sa stále viac a viac molekúl s vysokou rýchlosťou premení na paru (zmení skupenstvo z kvapaliny na paru). Pretože objem nádoby je pevný, tlak pary závisí iba od počtu molekúl (N) a rýchlosti (v).
Čím viac molekúl (čím väčšie N) sa premení na paru a čím vyššia je rýchlosť týchto molekúl (čím väčšie v), tým viac sa zvyšuje tlak pary. Rovnováha teda nastane pri vyššom tlaku pary. Preto sa zvýši aj tlak nasýtenej pary. Tlak nasýtenej pary existuje iba vtedy, keď je dosiahnutá rovnováha. Nasledujúci obrázok znázorňuje zmenu tlaku nasýtenej pary vody s teplotou.
Tlak pár závisí od objemu, ale tlak nasýtených pár nie. Ak sa objem nádoby zväčšuje alebo zmenšuje, nakoniec sa dosiahne rovnováha. Vyššie uvedená ilustrácia slúži len na to, aby vám pomohla pochopiť tlak nasýtených pár, ktorý sa vyskytuje v atmosfére. Rozdiel je v tom, že v predchádzajúcej ilustrácii sme predpokladali, že v časti nádoby, ktorá neobsahovala vodu, nebol žiadny vzduch. Preto časť nádoby, ktorá neobsahovala vodu, bola obsadená iba vodnou parou. Naproti tomu zemský povrch je vždy vyplnený vzduchom. Zrážky medzi molekulami pary a inými molekulami plynu iba predlžujú čas potrebný na dosiahnutie rovnováhy. Rovnováha sa však nakoniec dosiahne, keď sa počet molekúl vody, ktoré sa premenia na paru, rovná počtu molekúl pary, ktoré sa premenia na vodu.
