เพนกวิน

ทฤษฎีจลน์

กระบวนการระเหยสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีจลน์ เช่นเดียวกับโมเลกุลของแก๊ส โมเลกุลของน้ำก็เคลื่อนที่เช่นกัน ความแตกต่างคือโมเลกุลของน้ำไม่สามารถแยกออกจากกันได้เพราะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลยังคงสามารถยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ด้วยกันได้ ในทางตรงกันข้าม แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊สนั้นอ่อนมาก ดังนั้นโมเลกุลของแก๊สจึงไม่สามารถเกาะติดกันได้ เมื่อเคลื่อนที่ โมเลกุลของน้ำจะมีความเร็ว โมเลกุลของน้ำบางส่วนมีความเร็วสูง ในขณะที่บางส่วนมีความเร็วต่ำ การกระจายความเร็วของโมเลกุลของน้ำนั้นคล้ายกับการกระจายแบบแม็กซ์เวลล์

การระเหยเกิดขึ้นเมื่อความเร็วของโมเลกุลน้ำมีมากพอ จนแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำไม่สามารถยึดเหนี่ยวกันไว้ได้ คล้ายกับจรวดที่พุ่งทะยานขึ้นสู่อวกาศ ความเร็วของจรวดมีมากพอที่แรงโน้มถ่วงของโลกไม่สามารถรั้งมันไว้บนโลกได้ ควรสังเกตว่าเฉพาะโมเลกุลที่มีความเร็วสูงมากเท่านั้นที่สามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลได้ โมเลกุลที่มีความเร็วต่ำยังคงรวมตัวกันเพื่อก่อตัวเป็นน้ำ

โมเลกุลของน้ำมีมวลและความเร็วหรือเวโลซิตี้ ดังนั้นโมเลกุลของน้ำจึงมีพลังงานจลน์ (EK = 1/2 mv² ⁾โมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์มากกว่าโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วต่ำ ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าโมเลกุลของน้ำที่สามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (โมเลกุลของน้ำที่กลายเป็นไอน้ำ) จะมีพลังงานจลน์ค่อนข้างมาก โดยปกติแล้วพลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น หากอุณหภูมิของน้ำสูงมากพอ พลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นน้ำก็จะกลายเป็นไอน้ำมากขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับผลการวิจัยที่แสดงให้เห็นว่าอัตราการระเหยโดยทั่วไปจะสูงกว่าที่อุณหภูมิสูง

เมื่อเราตากผ้าเปียกในแสงแดด ผ้าเปียกจะดูดซับความร้อนจากแสงแดด พลังงานเพิ่มเติมจากแสงแดดทำให้พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำในผ้าเพิ่มขึ้น เนื่องจากพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น โมเลกุลน้ำจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น (ความเร็วของโมเลกุลน้ำเพิ่มขึ้น) เมื่อความเร็วหรือพลังงานจลน์ถึงค่าที่กำหนด โมเลกุลน้ำจะสามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำ และกลายเป็นไอน้ำ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ การตากผ้าเปียกไม่ได้อาศัยความร้อนเพิ่มเติมจากแสงแดดเพียงอย่างเดียว ผ้าเปียกยังสามารถแห้งได้ด้วยความร้อนเพิ่มเติมจากอากาศอุ่นรอบๆ ผ้า (ความร้อนถ่ายเทโดยการนำความร้อนจากอากาศไปยังผ้าเปียก)

ในวันที่อากาศร้อน พื้นหรือพื้นดินจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากค่าความร้อนจำเพาะของพื้นค่อนข้างสูง พื้นจะถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศด้านบน (ในกรณีนี้ การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นโดยการนำความร้อน) อากาศร้อนจะขยายตัว (ความหนาแน่นลดลง) และเคลื่อนที่ขึ้น เมื่ออากาศร้อนเคลื่อนที่ผ่านเสื้อผ้าที่เปียก โมเลกุลของอากาศจะชนกับโมเลกุลของน้ำในเสื้อผ้า โมเลกุลของน้ำจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น เนื่องจากเคลื่อนที่เร็วขึ้น พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำจึงเพิ่มขึ้น โมเลกุลของน้ำที่เคลื่อนที่เร็วจะชนกับโมเลกุลของน้ำอื่นๆ อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากถูกโมเลกุลของอากาศชนอยู่ตลอดเวลา โมเลกุลของน้ำจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น (พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น)

เมื่อความเร็วหรือพลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำถึงค่าที่กำหนด โมเลกุลน้ำที่เคลื่อนที่เร็วจะสามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและกลายเป็นไอน้ำได้... พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำหรือโมเลกุลอากาศมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอุณหภูมิ หากพลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำมีค่ามาก อุณหภูมิของน้ำก็จะสูง หรือในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิของน้ำสูง พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำก็ต้องมีค่ามากเช่นกัน พลังงานจลน์ยังมีความสัมพันธ์กับความเร็ว ยิ่งพลังงานจลน์ของโมเลกุลมากเท่าใด ความเร็วของโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หรือในทางกลับกัน ยิ่งความเร็วของโมเลกุลมากเท่าใด พลังงานจลน์ของโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

แล้วน้ำร้อนล่ะ? น้ำร้อนมีอุณหภูมิสูง เนื่องจากอุณหภูมิของน้ำสูง โมเลกุลของน้ำจึงมีพลังงานจลน์เฉลี่ยสูง เนื่องจากพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลน้ำสูง โมเลกุลของน้ำจำนวนมากจึงมีความเร็วสูง (โมเลกุลของน้ำจำนวนมากเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว) โมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วสูงสามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและกลายเป็นไอน้ำได้ เฉพาะโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วสูง (โมเลกุลของน้ำที่มีพลังงานจลน์สูง) เท่านั้นที่จะกลายเป็นไอน้ำ ในขณะที่โมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วต่ำ (โมเลกุลของน้ำที่มีพลังงานจลน์ต่ำ) จะไม่กลายเป็นไอน้ำ ดังนั้น เมื่อโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วสูงเปลี่ยนเป็นไอน้ำ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของน้ำที่ยังคงอยู่ด้วยกันจะลดลง ยิ่งพลังงานจลน์เฉลี่ยลดลง อุณหภูมิของน้ำก็จะยิ่งต่ำลง (น้ำจะเย็นลง) จากคำอธิบายโดยย่อนี้ สามารถกล่าวได้ว่าการระเหยเป็นกระบวนการทำความเย็น

กระบวนการระบายความร้อนที่เกิดจากการระเหยเป็นเรื่องปกติในชีวิตประจำวัน เมื่ออากาศร้อน ร่างกายจะดูดซับความร้อนจำนวนมาก เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิร่างกายให้คงที่ ร่างกายจึงมักระบายความร้อนออกทางเหงื่อ เนื่องจากเหงื่อได้รับความร้อนเพิ่มเติมจากแสงแดดและอากาศโดยรอบ พลังงานจลน์ของโมเลกุลเหงื่อจึงเพิ่มขึ้น เมื่อพลังงานจลน์ของโมเลกุลเหงื่อเพิ่มขึ้น ความเร็วของโมเลกุลเหงื่อจึงเพิ่มขึ้น โมเลกุลเหงื่อจึงกลายเป็นไอน้ำ เมื่อเหงื่อระเหย ร่างกายจึงรู้สึกเย็นลง นี่คืออีกตัวอย่างหนึ่ง... โดยปกติหลังจากอาบน้ำ ร่างกายของเราจะรู้สึกเย็นลง นี่เป็นเพราะน้ำที่เกาะอยู่บนผิวหนังระเหยไป

กระบวนการระเหยที่อธิบายไว้ข้างต้นเกิดขึ้นทุกวัน น้ำทะเล น้ำในทะเลสาบ และน้ำในแม่น้ำก็สามารถระเหยได้เช่นกัน…

ความดันไอ

ในที่นี้ ไอน้ำหมายถึงไอระเหยของน้ำ ลองสังเกตภาพดู ภาชนะปิดที่บรรจุน้ำ (สมมติว่าอากาศในภาชนะถูกกำจัดออกไปแล้ว) ตามทฤษฎีจลน์ โมเลกุลของน้ำจะเคลื่อนที่อยู่เสมอ เมื่อเคลื่อนที่ โมเลกุลของน้ำจะมีทั้งความเร็วและพลังงานจลน์ โมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วและพลังงานจลน์มากพอจะสามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำและกลายเป็นไอน้ำได้... กระบวนการเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับโมเลกุลของน้ำในภาชนะข้างๆ เมื่อเวลาผ่านไป โมเลกุลของน้ำจะกลายเป็นไอน้ำมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากภาชนะปิด โมเลกุลของน้ำที่กลายเป็นไอน้ำจึงไม่สามารถหลุดออกไปสู่บรรยากาศได้ (โมเลกุลถูกกักอยู่ในภาชนะ) จำนวนโมเลกุลของน้ำที่กลายเป็นไอน้ำมีมากพอที่จะทำให้เกิดการชนกันระหว่างโมเลกุลกับผนังของภาชนะได้

โมเลกุลบางส่วนที่ชนกับผนังภาชนะจะสะท้อนกลับไปยังผิวน้ำและรวมตัวกันกลายเป็นน้ำ กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง เมื่อเวลาผ่านไป โมเลกุลของน้ำจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ จะเปลี่ยนเป็นไอน้ำ (เปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอน้ำ) ในขณะเดียวกัน โมเลกุลบางส่วนที่ชนกับผนังภาชนะจะเปลี่ยนกลับเป็นน้ำ (เปลี่ยนจากไอน้ำเป็นของเหลว) หากจำนวนโมเลกุลที่เปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอน้ำเท่ากับจำนวนโมเลกุลที่เปลี่ยนจากไอน้ำเป็นของเหลว ก็จะเกิดสมดุลขึ้น เมื่อเกิดสมดุลแล้ว บริเวณด้านบนของภาชนะที่บรรจุไอน้ำอยู่จะเรียกว่าอิ่มตัว... ความดันไอน้ำในบริเวณที่อิ่มตัวเรียกว่า ความดันไอน้ำอิ่มตัว

การเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอเรียกว่าการระเหย การเปลี่ยนสถานะจากไอเป็นของเหลวเรียกว่าการควบแน่น โปรดทราบว่าความดันไออิ่มตัวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ไม่ขึ้นอยู่กับปริมาตร เมื่ออุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความเร็วของโมเลกุลน้ำต้องเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ด้วยวิธีนี้ โมเลกุลจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอ (เปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอ) เนื่องจากปริมาตรของภาชนะคงที่ ความดันไอจึงขึ้นอยู่กับจำนวนโมเลกุล (N) และความเร็ว (v) เท่านั้น

ยิ่งมีโมเลกุล (ค่า N มากขึ้น) ที่เปลี่ยนเป็นไอ และยิ่งความเร็วของโมเลกุลเหล่านี้สูงขึ้น (ค่า v มากขึ้น) ความดันไอก็จะยิ่งเพิ่มขึ้น ดังนั้น สมดุลจะเกิดขึ้นที่ความดันไอที่สูงขึ้น ด้วยเหตุนี้ ความดันไออิ่มตัวก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ความดันไออิ่มตัวจะมีอยู่ก็ต่อเมื่อถึงสภาวะสมดุลแล้วเท่านั้น ต่อไปนี้แสดงการเปลี่ยนแปลงของความดันไออิ่มตัวของน้ำตามอุณหภูมิ

ความดันไอขึ้นอยู่กับปริมาตร แต่ความดันไออิ่มตัวไม่ขึ้นอยู่กับปริมาตร หากปริมาตรของภาชนะเพิ่มขึ้นหรือลดลง ในที่สุดก็จะถึงสภาวะสมดุล ภาพประกอบด้านบนเป็นเพียงแนวทางเพื่อให้คุณเข้าใจความดันไออิ่มตัวที่เกิดขึ้นในบรรยากาศ ความแตกต่างคือ ในภาพประกอบก่อนหน้านี้ เราสมมติว่าไม่มีอากาศในส่วนของภาชนะที่ไม่ได้บรรจุน้ำ ดังนั้น ส่วนของภาชนะที่ไม่ได้บรรจุน้ำจึงมีเพียงไอน้ำเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม พื้นผิวโลกเต็มไปด้วยอากาศเสมอ การชนกันระหว่างโมเลกุลของไอน้ำและโมเลกุลของก๊าซอื่นๆ เพียงแต่ทำให้ระยะเวลาที่จะถึงสภาวะสมดุลยาวนานขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในที่สุดก็จะถึงสภาวะสมดุลเมื่อจำนวนโมเลกุลของน้ำที่เปลี่ยนเป็นไอน้ำเท่ากับจำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่เปลี่ยนเป็นน้ำ