การระเหย

กระบวนการระเหยสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีจลน์ เช่นเดียวกับโมเลกุลของแก๊ส โมเลกุลของน้ำก็เคลื่อนที่เช่นกัน ความแตกต่างคือโมเลกุลของน้ำไม่สามารถกระจัดกระจายได้เพราะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลยังคงยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ด้วยกัน ในทางกลับกัน แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊สนั้นเปราะบางมาก ทำให้โมเลกุลของแก๊สไม่สามารถรวมตัวกันได้ เมื่อเคลื่อนที่ โมเลกุลของน้ำจะมีเวโลซิตี้ มีโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วสูง และมีโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วต่ำ การกระจายตัวของเวโลซิตี้ของโมเลกุลของน้ำนั้นคล้ายกับการกระจายตัวของแม็กซ์เวลล์

การระเหยเกิดขึ้นเมื่อความเร็วของโมเลกุลน้ำมีมากพอจนแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำไม่สามารถยึดเหนี่ยวกันไว้ได้ คล้ายกับจรวดที่พุ่งทะยานขึ้นสู่อวกาศ ความเร็วของจรวดมีมากพอที่แรงโน้มถ่วงของโลกไม่สามารถยึดเหนี่ยวให้มันอยู่บนพื้นโลกได้ โปรดสังเกตว่าเฉพาะโมเลกุลที่มีความเร็วสูงมากเท่านั้นที่จะหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลได้ โมเลกุลที่มีความเร็วต่ำจะยังคงอยู่ด้วยกันเหมือนน้ำ

โมเลกุลของน้ำมีมวลและความเร็ว ดังนั้นโมเลกุลของน้ำจึงมีพลังงานจลน์ (EK = 1/2 m v²) โมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วสูงจะมีพลังงานจลน์สูงกว่าโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วต่ำ ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าโมเลกุลของน้ำที่สามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (โมเลกุลของน้ำที่กลายเป็นไอน้ำ) จะมีพลังงานจลน์สูง โดยปกติแล้วพลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิของน้ำที่สูงขึ้น หากอุณหภูมิของน้ำสูงมากพอ พลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นน้ำก็จะกลายเป็นไอน้ำมากขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับผลการวิจัยที่แสดงให้เห็นว่าอัตราการระเหยโดยทั่วไปจะสูงขึ้นที่อุณหภูมิสูง

เมื่อเราตากผ้าเปียกในแสงแดด ผ้าเปียกจะดูดซับความร้อนจากแสงแดด พลังงานที่เพิ่มเข้ามาจากแสงแดดทำให้พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำในผ้าเพิ่มขึ้น เนื่องจากพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น โมเลกุลน้ำจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น (ความเร็วของโมเลกุลน้ำเพิ่มขึ้น) เมื่อความเร็วหรือพลังงานจลน์ถึงค่าที่กำหนด โมเลกุลน้ำจะสามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำ และกลายเป็นไอน้ำ โปรดทราบว่าการทำให้ผ้าเปียกแห้งนั้นไม่ได้เกิดจากความร้อนจากแสงแดดเพียงอย่างเดียว ผ้าเปียกยังสามารถแห้งได้ด้วยความร้อนเพิ่มเติมจากอากาศอุ่นรอบๆ ผ้า (ความร้อนถ่ายเทจากอากาศไปยังผ้าเปียกโดยการนำความร้อน)

ในวันที่อากาศร้อน พื้นดินจะร้อนขึ้น พื้นดินจะถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศด้านบน (ในกรณีนี้คือการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน) อากาศร้อนจะขยายตัว (ความหนาแน่นลดลง) และเคลื่อนที่ขึ้น เมื่อเสื้อผ้าเปียกผ่าน โมเลกุลของน้ำจะชนกับโมเลกุลของน้ำภายในเสื้อผ้า โมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่เร็วขึ้น พลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำจึงเพิ่มขึ้น โมเลกุลของน้ำที่เคลื่อนที่เร็วจะชนกับโมเลกุลของน้ำอื่นๆ เนื่องจากถูกชนอย่างต่อเนื่องโดยโมเลกุลของอากาศ โมเลกุลของน้ำจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น (พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น) เมื่อความเร็วหรือพลังงานจลน์ถึงค่าที่กำหนด โมเลกุลของน้ำที่เคลื่อนที่เร็วจะสามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและกลายเป็นไอน้ำ พลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอุณหภูมิ หากพลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำมีค่ามาก อุณหภูมิของน้ำก็จะสูง หรือในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิของน้ำสูง พลังงานจลน์ของโมเลกุลของน้ำก็ต้องมีค่ามากเช่นกัน พลังงานจลน์ยังสัมพันธ์กับความเร็วด้วย ยิ่งพลังงานจลน์ของโมเลกุลสูง ความเร็วของโมเลกุลก็จะยิ่งสูงขึ้น หรือในทางกลับกัน ยิ่งโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วเท่าไร พลังงานจลน์ของโมเลกุลก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

แล้วน้ำร้อนล่ะ? น้ำร้อนมีอุณหภูมิสูง เนื่องจากอุณหภูมิน้ำสูง โมเลกุลในน้ำจึงมีพลังงานจลน์เฉลี่ยค่อนข้างสูง เนื่องจากพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลน้ำค่อนข้างสูง โมเลกุลน้ำจำนวนมากจึงมีความเร็วสูง โมเลกุลน้ำที่มีความเร็วสูงสามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและกลายเป็นไอน้ำได้ โมเลกุลน้ำที่มีความเร็วต่ำ (โมเลกุลน้ำที่มีพลังงานจลน์น้อย) จะไม่กลายเป็นไอน้ำ ดังนั้น เมื่อโมเลกุลน้ำที่มีความเร็วสูงกลายเป็นไอน้ำ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลน้ำจะลดลง ยิ่งพลังงานจลน์เฉลี่ยน้อยลงเท่าไหร่ อุณหภูมิของน้ำก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น จากคำอธิบายสั้นๆ นี้ สามารถกล่าวได้ว่าการระเหยเป็นกระบวนการทำความเย็น

กระบวนการระบายความร้อนด้วยการระเหยเป็นสิ่งที่เราพบเห็นได้ทั่วไปในชีวิตประจำวัน เมื่ออากาศร้อน ร่างกายจะดูดซับความร้อนจำนวนมาก เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิร่างกายให้คงที่ ร่างกายจึงมักระบายความร้อนออกทางเหงื่อ เนื่องจากเหงื่อได้รับความร้อนเพิ่มเติมจากแสงแดดและอากาศโดยรอบ พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำในเหงื่อจึงเพิ่มขึ้น และเมื่อพลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำในเหงื่อเพิ่มขึ้น ความเร็วของโมเลกุลน้ำในเหงื่อก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย โมเลกุลเหงื่อจึงกลายเป็นไอน้ำ เมื่อเหงื่อระเหย ร่างกายจึงรู้สึกเย็นลง

โดยปกติแล้ว หลังจากอาบน้ำเสร็จ ร่างกายของเรามักรู้สึกเย็นลง เนื่องจากน้ำที่เกาะอยู่บนผิวหนังเกิดการระเหย

กระบวนการระเหยที่กล่าวถึงข้างต้นเกิดขึ้นทุกวัน น้ำทะเล น้ำในทะเลสาบ และน้ำในแม่น้ำก็สามารถระเหยได้เช่นกัน

ความดันไอ

ในที่นี้ ไอน้ำหมายถึงไอระเหยของน้ำ สังเกตจากภาพ ภาชนะปิดที่บรรจุน้ำ (สมมติว่าอากาศภายในภาชนะถูกกำจัดออกไปแล้ว) ตามทฤษฎีจลน์ โมเลกุลของน้ำจะเคลื่อนที่อยู่เสมอ เมื่อเคลื่อนที่ โมเลกุลของน้ำจะมีทั้งความเร็วและพลังงาน โมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วและพลังงานจลน์สูงจะสามารถเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำและกลายเป็นไอน้ำได้

กระบวนการเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับโมเลกุลของน้ำในภาชนะ เมื่อเวลาผ่านไป โมเลกุลของน้ำจะกลายเป็นไอน้ำมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากภาชนะปิดสนิท โมเลกุลของน้ำที่กลายเป็นไอน้ำจึงไม่สามารถหลุดออกไปสู่บรรยากาศได้ (โมเลกุลถูกกักอยู่ในภาชนะ) ปริมาณโมเลกุลของน้ำที่กลายเป็นไอน้ำมีค่อนข้างมาก ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการชนกันระหว่างโมเลกุลกับผนังของภาชนะ

โมเลกุลบางส่วนที่ชนกับผนังภาชนะจะสะท้อนกลับไปยังผิวน้ำและรวมเข้ากับน้ำ กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง เมื่อเวลาผ่านไป โมเลกุลของน้ำจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ จะกลายเป็นไอน้ำ (เปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอ) ในขณะเดียวกัน โมเลกุลบางส่วนที่ชนกับผนังภาชนะก็จะเปลี่ยนกลับเป็นน้ำอีกครั้ง (เปลี่ยนจากไอน้ำเป็นของเหลว) หากจำนวนโมเลกุลที่เปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอเท่ากับจำนวนโมเลกุลที่เปลี่ยนจากไอเป็นของเหลว จะเกิดสมดุล เมื่อเกิดสมดุลแล้ว บริเวณด้านบนของภาชนะที่บรรจุก๊าซนั้นจะเรียกว่าอิ่มตัว ความดันไอในบริเวณที่อิ่มตัวเรียกว่าความดันไออิ่มตัว

การเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอเรียกว่าการระเหย ส่วนการเปลี่ยนสถานะจากไอน้ำเป็นของเหลวเรียกว่าการควบแน่น โปรดทราบว่าความดันไออิ่มตัวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้นและไม่ขึ้นอยู่กับปริมาตร หากอุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำเพิ่มขึ้น ดังนั้นความเร็วของโมเลกุลน้ำจึงต้องเพิ่มขึ้นด้วย ด้วยเหตุนี้ โมเลกุลที่มีความเร็วสูงจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ จึงจะกลายเป็นไอน้ำ (เปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอน้ำ) เนื่องจากปริมาตรของภาชนะคงที่ ความดันไอจึงขึ้นอยู่กับจำนวนโมเลกุล (N) และความเร็ว (v) เท่านั้น

ยิ่งมีโมเลกุลเปลี่ยนเป็นไอน้ำมากเท่าไร และยิ่งความเร็วของโมเลกุลสูงขึ้นเท่าไร ความดันไอจะยิ่งเพิ่มขึ้นเท่านั้น ดังนั้น สมดุลจะเกิดขึ้นที่ความดันไอสูงขึ้น ด้วยเหตุนี้ ความดันไออิ่มตัวจึงสูงขึ้นด้วย ความดันไออิ่มตัวจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเกิดสมดุลเท่านั้น

ความดันไอขึ้นอยู่กับปริมาตร แต่ความดันไออิ่มตัวไม่ขึ้นอยู่กับปริมาตร หากปริมาตรของภาชนะเพิ่มขึ้นหรือลดลง จะเกิดสมดุลขึ้น ภาพประกอบข้างต้นต้องการให้คุณเข้าใจเฉพาะความดันไออิ่มตัวที่เกิดขึ้นในบรรยากาศเท่านั้น ความแตกต่างคือ ในตัวอย่างก่อนหน้านี้ เราสมมติว่าไม่มีน้ำอยู่ในส่วนของภาชนะที่ไม่มีน้ำ ดังนั้น ส่วนของภาชนะที่ไม่มีน้ำจึงมีเพียงไอน้ำเท่านั้น ในทางกลับกัน พื้นผิวโลกเต็มไปด้วยอากาศเสมอ การชนกันระหว่างโมเลกุลของไอน้ำและโมเลกุลของก๊าซอื่นๆ เพียงแต่ทำให้สมดุลยืดเยื้อออกไป อย่างไรก็ตาม ณ จุดหนึ่ง จะเกิดสมดุลขึ้นหากจำนวนโมเลกุลของน้ำที่เปลี่ยนเป็นไอน้ำเท่ากับจำนวนโมเลกุลของไอน้ำที่เปลี่ยนเป็นน้ำ