Kinetik Teori
Buharlaşma süreci kinetik teori kullanılarak açıklanabilir. Gaz molekülleri gibi su molekülleri de hareket eder. Fark şudur ki, su molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri onları bir arada tutmaya devam ettiği için birbirinden ayrılamazlar. Buna karşılık, gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri çok zayıftır, bu nedenle gaz molekülleri birbirine yapışamaz. Hareket halindeyken su moleküllerinin hızı vardır. Bazı su moleküllerinin hızı yüksekken, bazılarının hızı düşüktür. Su molekülü hızlarının dağılımı Maxwell dağılımına benzer.
Buharlaşma, su moleküllerinin hızı, aralarındaki çekim kuvvetinin onları bir arada tutamayacak kadar büyük olduğunda meydana gelir. Uzaya doğru hareket eden bir rokete benzer şekilde, roketin hızı, Dünya'nın yerçekimi kuvvetinin onu Dünya'da kalmaktan alıkoyamayacak kadar büyüktür. Sadece yüksek hızlara sahip moleküllerin, moleküller arasındaki çekim kuvvetlerinden kurtulabildiği unutulmamalıdır. Düşük hızlara sahip moleküller de birleşerek su oluşturur.
Su moleküllerinin kütlesi ve hızı veya ivmesi vardır, bu nedenle su moleküllerinin kinetik enerjisi bulunur (EK = 1/2 mv² ) . Yüksek hıza sahip su moleküllerinin kinetik enerjisi, düşük hıza sahip su moleküllerinden daha büyüktür. Bu nedenle, moleküller arasındaki çekim kuvvetlerinden kurtulabilen su moleküllerinin (buhara dönüşen su molekülleri) oldukça büyük bir kinetik enerjiye sahip olduğu söylenebilir. Genellikle su moleküllerinin kinetik enerjisi, su sıcaklığı arttıkça artar. Su sıcaklığı yeterince yüksekse, su moleküllerinin kinetik enerjisi artar. Dolayısıyla, daha fazla su buhara dönüşür. Bu, buharlaşma oranının genellikle yüksek sıcaklıklarda daha yüksek olduğunu gösteren araştırma sonuçlarıyla uyumludur.
Islak kıyafetleri güneşte kuruttuğumuz zaman, ıslak kıyafetler güneşten yayılan ısıyı emer. Güneşten gelen ek enerji, kıyafetlerdeki su moleküllerinin kinetik enerjisinin artmasına neden olur. Kinetik enerji arttığı için su molekülleri daha hızlı hareket eder (su moleküllerinin hızı artar). Hızları veya kinetik enerjileri belirli bir değere ulaştığında, su molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinden kurtulabilir ve buhara dönüşebilir. Islak kıyafetlerin kurumasının sadece güneşten gelen ek ısıdan etkilenmediğini belirtmek önemlidir. Islak kıyafetler, kıyafetlerin etrafındaki sıcak havadan gelen ek ısı nedeniyle de kuruyabilir (havadan ıslak kıyafetlere iletim yoluyla ısı transferi).
Sıcak bir günde, zemin veya yer daha hızlı ısınır. Zemin, özgül ısı kapasitesi oldukça yüksek olduğu için hızlı ısınır. Zemin, üzerindeki havayı ısıtır (bu durumda ısı transferi iletim yoluyla gerçekleşir). Sıcak hava genleşir (yoğunluğu azalır) ve yukarı doğru hareket eder. Islak giysilerin üzerinden geçerken, hava molekülleri giysilerdeki su molekülleriyle çarpışır. Su molekülleri daha hızlı hareket eder. Daha hızlı hareket ettikleri için su moleküllerinin kinetik enerjisi artar. Hızlı hareket eden su molekülleri diğer su molekülleriyle çarpışır. Sürekli olarak hava molekülleriyle çarpıştıkları için su molekülleri daha hızlı hareket eder (kinetik enerjileri artar).
Hızları veya kinetik enerjileri belirli bir değere ulaştığında, hızlı hareket eden su molekülleri moleküller arasındaki çekimden kurtularak buhara dönüşebilir... Su moleküllerinin veya hava moleküllerinin kinetik enerjisi sıcaklıkla yakından ilişkilidir. Su moleküllerinin kinetik enerjisi büyükse, aynı zamanda su sıcaklığı da yüksektir. Veya tam tersi, su sıcaklığı yüksek olduğunda, su moleküllerinin kinetik enerjisi de büyük olmalıdır. Kinetik enerji aynı zamanda hızla da ilişkilidir. Moleküllerin kinetik enerjisi ne kadar büyükse, moleküllerin hızı da o kadar büyük olur. Veya tam tersi, moleküllerin hızı ne kadar büyükse, moleküllerin kinetik enerjisi de o kadar büyük olur.
Peki ya sıcak su? Sıcak suyun sıcaklığı yüksektir. Su sıcaklığı yüksek olduğu için, sudaki su moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi büyüktür. Su moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi büyük olduğu için, birçok su molekülü yüksek hızlara sahiptir (birçok su molekülü hızlı hareket eder). Yüksek hıza sahip su molekülleri, moleküller arasındaki çekim kuvvetlerinden kurtularak buhara dönüşebilir. Sadece yüksek hıza sahip su molekülleri (yüksek kinetik enerjiye sahip su molekülleri) buhara dönüşürken, düşük hıza sahip su molekülleri (düşük kinetik enerjiye sahip su molekülleri) buhara dönüşmez. Bu nedenle, yüksek hıza sahip su molekülleri buhara dönüştüğünde, birlikte kalan su moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi küçülür. Ortalama kinetik enerji ne kadar küçükse, su sıcaklığı o kadar düşük olur (su o kadar soğur). Bu kısa açıklamaya dayanarak, buharlaşmanın bir soğutma süreci olduğu söylenebilir.
Buharlaşmanın neden olduğu soğuma süreci günlük hayatta sıkça karşılaşılan bir durumdur. Hava oldukça sıcak olduğunda, vücut çok fazla ısı emer. Vücut sıcaklığını sabit tutmak için vücut genellikle ter yoluyla ısıyı dışarı atar. Ter, güneşten ve çevredeki havadan ek ısı aldığı için ter moleküllerinin kinetik enerjisi artar. Ter moleküllerinin kinetik enerjisi arttığı için ter moleküllerinin hızı da artar. Ter molekülleri buhara dönüşür. Ter buharlaştığında vücut serinler. İşte başka bir örnek... Genellikle duştan sonra vücudumuz serinler. Bunun nedeni, cildin yüzeyine yapışan suyun buharlaşmasıdır.
Yukarıda açıklanan buharlaşma süreci her gün gerçekleşir. Deniz suyu, göl suyu ve nehir suyu da buharlaşabilir…
Buhar Basıncı
Burada buhardan kastedilen su buharıdır. Resme bakın. Suyla dolu kapalı bir kap (kabın içindeki havanın boşaltıldığını varsayalım). Kinetik teoriye göre, su molekülleri her zaman hareket halindedir. Hareket halindeyken, su moleküllerinin hızı ve kinetik enerjisi vardır. Yeterli hıza ve kinetik enerjiye sahip su molekülleri, su molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinden kurtularak buhara dönüşebilir... Aynı süreç yanındaki kaptaki su molekülleri için de geçerlidir. Zaman geçtikçe, giderek daha fazla su molekülü buhara dönüşür. Kap kapalı olduğu için, buhara dönüşen su molekülleri atmosfere kaçamaz (moleküller kabın içinde hapsolur). Buhara dönüşen su molekülü sayısı, moleküller ile kabın duvarları arasında çarpışma olasılığının olabileceği kadar büyüktür.
Kabın duvarlarına çarpan moleküllerin bir kısmı su yüzeyine geri yansıyacak ve birleşerek su oluşturacaktır. Bu süreç sürekli olarak tekrarlanır. Zaman geçtikçe, giderek daha fazla su molekülü buhara dönüşecektir (sıvıdan buhara). Aynı zamanda, kabın duvarlarına çarpan moleküllerin bir kısmı tekrar suya dönüşecektir (buhardan sıvıya). Sıvıdan buhara dönüşen molekül sayısı, buhardan sıvıya dönüşen molekül sayısına eşitse, denge oluşacaktır. Denge oluştuğunda, buhar içeren kabın üst kısmı doymuş bölge olarak adlandırılır… Doymuş bölgedeki buhar basıncına Doymuş buhar basıncı denir.
Sıvı halden buhar haline geçişe buharlaşma, buhar halinden sıvı hale geçişe ise yoğunlaşma denir. Doymuş buhar basıncının sadece sıcaklığa bağlı olduğunu, hacme bağlı olmadığını unutmayın. Suyun sıcaklığı arttıkça, su moleküllerinin kinetik enerjisi de artar.
Su moleküllerinin kinetik enerjisi arttığı için su moleküllerinin hızı da artmalıdır. Bu şekilde, yüksek hıza sahip giderek daha fazla molekül buhara dönüşür (sıvıdan buhara hal değiştirir). Kabın hacmi sabit olduğundan, buhar basıncı yalnızca molekül sayısına (N) ve hıza (v) bağlıdır.
Buhara dönüşen molekül sayısı (N ne kadar büyükse) ve bu moleküllerin hızı (v ne kadar yüksekse) ne kadar fazlaysa, buhar basıncı o kadar artar. Dolayısıyla, denge daha yüksek bir buhar basıncında gerçekleşir. Bu nedenle, doymuş buhar basıncı da artacaktır. Doymuş buhar basıncı yalnızca dengeye ulaşıldığında mevcuttur. Aşağıda, suyun doymuş buhar basıncının sıcaklıkla değişimi gösterilmektedir.
Buhar basıncı hacme bağlıdır, ancak doymuş buhar basıncı bağlı değildir. Bir kabın hacmi artarsa veya azalırsa, sonunda denge sağlanacaktır. Yukarıdaki şekil, atmosferde oluşan doymuş buhar basıncını anlamanıza yardımcı olmak içindir. Fark şudur ki, önceki şekilde, kabın su içermeyen kısmında hava olmadığını varsaydık. Bu nedenle, kabın su içermeyen kısmı sadece su buharı ile doluydu. Buna karşılık, Dünya yüzeyi her zaman hava ile doludur. Buhar molekülleri ile diğer gaz molekülleri arasındaki çarpışmalar, dengenin sağlanması için gereken süreyi sadece uzatır. Bununla birlikte, buhara dönüşen su molekülü sayısı, suya dönüşen buhar molekülü sayısına eşit olduğunda sonunda denge sağlanacaktır.
