Lý thuyết động học
Quá trình bay hơi có thể được giải thích bằng lý thuyết động học. Giống như các phân tử khí, các phân tử nước cũng chuyển động. Sự khác biệt là các phân tử nước không thể tách rời vì lực hút giữa chúng vẫn đủ mạnh để giữ chúng lại với nhau. Ngược lại, lực hút giữa các phân tử khí rất yếu, do đó các phân tử khí không thể dính lại với nhau. Khi chuyển động, các phân tử nước có tốc độ. Một số phân tử nước có tốc độ cao, trong khi những phân tử khác có tốc độ thấp. Sự phân bố vận tốc của các phân tử nước giống với phân bố Maxwell.
Sự bay hơi xảy ra khi tốc độ của các phân tử nước đủ lớn, khiến lực hút giữa các phân tử nước không còn đủ sức giữ chúng lại với nhau. Tương tự như một tên lửa bay vào không gian, tốc độ của tên lửa đủ lớn để lực hấp dẫn của Trái đất không còn đủ sức giữ nó lại trên Trái đất. Cần lưu ý rằng chỉ những phân tử có tốc độ lớn mới có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử. Các phân tử có tốc độ nhỏ vẫn kết hợp với nhau để tạo thành nước.
Các phân tử nước có khối lượng và vận tốc, do đó chúng có động năng (EK = 1/2 mv²).2Các phân tử nước chuyển động với tốc độ cao có động năng lớn hơn các phân tử nước chuyển động với tốc độ thấp. Do đó, có thể nói rằng các phân tử nước có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử (các phân tử nước chuyển thành hơi nước) có động năng khá lớn. Thông thường, động năng của các phân tử nước tăng lên khi nhiệt độ nước tăng. Nếu nhiệt độ nước đủ cao, động năng của các phân tử nước sẽ tăng lên. Do đó, nhiều nước hơn sẽ chuyển thành hơi nước. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ bay hơi thường lớn hơn ở nhiệt độ cao.
Khi phơi quần áo ướt dưới ánh nắng mặt trời, quần áo sẽ hấp thụ nhiệt lượng tỏa ra từ mặt trời. Năng lượng bổ sung từ mặt trời làm tăng động năng của các phân tử nước trong quần áo. Vì động năng tăng lên, các phân tử nước chuyển động nhanh hơn (tốc độ của các phân tử nước tăng lên). Khi tốc độ hoặc động năng đạt đến một giá trị nhất định, các phân tử nước có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử nước, sau đó biến thành hơi nước. Điều quan trọng cần lưu ý là việc làm khô quần áo ướt không chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt lượng bổ sung từ mặt trời. Quần áo ướt cũng có thể khô nhờ nhiệt lượng bổ sung từ không khí ấm xung quanh quần áo (nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt từ không khí đến quần áo ướt).
Vào những ngày nóng, mặt đất hoặc sàn nhà nóng lên nhanh hơn. Mặt đất nóng lên nhanh vì nhiệt dung riêng của nó khá lớn. Mặt đất làm nóng không khí phía trên nó (trong trường hợp này, sự truyền nhiệt xảy ra bằng dẫn nhiệt). Không khí nóng giãn nở (mật độ giảm) và di chuyển lên trên. Khi đi qua quần áo ướt, các phân tử không khí va chạm với các phân tử nước trong quần áo. Các phân tử nước chuyển động nhanh hơn. Vì chúng chuyển động nhanh hơn, động năng của các phân tử nước tăng lên. Các phân tử nước chuyển động nhanh va chạm với các phân tử nước khác. Vì chúng liên tục bị các phân tử không khí va chạm, các phân tử nước chuyển động nhanh hơn (động năng của chúng tăng lên).
Khi vận tốc hay động năng đạt đến một giá trị nhất định, các phân tử nước chuyển động nhanh có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử và biến thành hơi nước… Động năng của các phân tử nước hoặc phân tử không khí có liên quan mật thiết đến nhiệt độ. Nếu động năng của các phân tử nước lớn, thì đồng thời nhiệt độ nước cũng cao. Hoặc ngược lại, khi nhiệt độ nước cao, động năng của các phân tử nước phải lớn. Động năng cũng liên quan đến tốc độ. Động năng của các phân tử càng lớn, tốc độ của các phân tử càng lớn. Hoặc ngược lại, tốc độ của các phân tử càng lớn, động năng của các phân tử càng lớn.
Còn nước nóng thì sao? Nước nóng có nhiệt độ cao. Vì nhiệt độ nước cao, các phân tử nước trong nước có động năng trung bình lớn. Do động năng trung bình của các phân tử nước lớn, nhiều phân tử nước có tốc độ cao (nhiều phân tử nước chuyển động nhanh). Các phân tử nước có tốc độ cao có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử và biến thành hơi nước. Chỉ những phân tử nước có tốc độ cao (phân tử nước có động năng lớn) mới biến thành hơi nước, trong khi các phân tử nước có tốc độ thấp (phân tử nước có động năng nhỏ) không biến thành hơi nước. Do đó, khi các phân tử nước có tốc độ cao biến thành hơi nước, động năng trung bình của các phân tử nước còn lại sẽ giảm đi. Động năng trung bình càng nhỏ, nhiệt độ nước càng thấp (nước càng lạnh). Dựa trên mô tả ngắn gọn này, có thể nói rằng sự bay hơi là một quá trình làm mát.
Quá trình làm mát do bay hơi là hiện tượng phổ biến trong cuộc sống hàng ngày. Khi không khí khá nóng, cơ thể hấp thụ rất nhiều nhiệt. Để duy trì nhiệt độ cơ thể ổn định, cơ thể thường thải nhiệt qua mồ hôi. Vì mồ hôi nhận thêm nhiệt từ mặt trời và không khí xung quanh, động năng của các phân tử mồ hôi tăng lên. Do động năng của các phân tử mồ hôi tăng lên, tốc độ của các phân tử mồ hôi cũng tăng lên. Các phân tử mồ hôi biến thành hơi nước. Khi mồ hôi bay hơi, cơ thể cảm thấy mát mẻ. Đây là một ví dụ khác... Thông thường sau khi tắm, cơ thể chúng ta cảm thấy mát mẻ. Điều này là do nước bám trên bề mặt da bay hơi.
Quá trình bay hơi được mô tả ở trên diễn ra hàng ngày. Nước biển, nước hồ và nước sông cũng có thể bay hơi…
Áp suất hơi
Ở đây, "hơi nước" được hiểu là hơi ẩm. Hãy quan sát hình ảnh. Một bình kín chứa đầy nước (giả sử không khí trong bình đã được loại bỏ). Theo lý thuyết động học, các phân tử nước luôn chuyển động. Khi chuyển động, các phân tử nước có vận tốc và động năng. Các phân tử nước có đủ vận tốc và động năng có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử nước và biến thành hơi nước... Quá trình tương tự xảy ra với các phân tử nước trong bình bên cạnh. Theo thời gian, ngày càng nhiều phân tử nước biến thành hơi nước. Vì bình kín, các phân tử nước đã biến thành hơi nước không thể thoát ra ngoài khí quyển (các phân tử bị giữ lại trong bình). Số lượng phân tử nước biến thành hơi nước đủ lớn để có khả năng xảy ra va chạm giữa các phân tử và thành bình.
Một số phân tử va chạm vào thành bình sẽ bị phản xạ trở lại bề mặt nước và kết hợp lại tạo thành nước. Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục. Theo thời gian, ngày càng nhiều phân tử nước sẽ chuyển thành hơi (chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí). Đồng thời, một số phân tử va chạm vào thành bình sẽ chuyển trở lại thành nước (chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng). Nếu số lượng phân tử chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí bằng với số lượng phân tử chuyển từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng, thì trạng thái cân bằng sẽ xảy ra. Khi đạt trạng thái cân bằng, phần trên của bình chứa hơi nước được gọi là trạng thái bão hòa… Áp suất hơi trong vùng bão hòa được gọi là áp suất hơi bão hòa.
Sự chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi được gọi là sự bay hơi. Sự chuyển đổi từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng được gọi là sự ngưng tụ. Lưu ý rằng áp suất hơi bão hòa chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ chứ không phụ thuộc vào thể tích. Khi nhiệt độ của nước tăng lên, động năng của các phân tử nước cũng tăng lên.
Động năng của các phân tử nước tăng lên, do đó tốc độ của các phân tử nước cũng phải tăng lên. Bằng cách này, ngày càng nhiều phân tử với tốc độ cao sẽ chuyển thành hơi (chuyển trạng thái từ lỏng sang khí). Vì thể tích của bình chứa là cố định, áp suất hơi chỉ phụ thuộc vào số lượng phân tử (N) và tốc độ (v).
Càng nhiều phân tử (N càng lớn) chuyển thành hơi và tốc độ của các phân tử này càng cao (v càng lớn), áp suất hơi càng tăng. Do đó, trạng thái cân bằng sẽ xảy ra ở áp suất hơi cao hơn. Vì vậy, áp suất hơi bão hòa cũng sẽ tăng lên. Áp suất hơi bão hòa chỉ tồn tại khi đạt trạng thái cân bằng. Hình dưới đây cho thấy sự thay đổi áp suất hơi bão hòa của nước theo nhiệt độ.
Áp suất hơi phụ thuộc vào thể tích, nhưng áp suất hơi bão hòa thì không. Nếu thể tích của một vật chứa tăng hoặc giảm, trạng thái cân bằng cuối cùng sẽ đạt được. Hình minh họa ở trên chỉ đơn giản là để giúp bạn hiểu về áp suất hơi bão hòa xảy ra trong khí quyển. Sự khác biệt là, trong hình minh họa trước, chúng ta giả định rằng không có không khí trong phần vật chứa không chứa nước. Do đó, phần vật chứa không chứa nước chỉ chứa hơi nước. Ngược lại, bề mặt Trái đất luôn luôn chứa đầy không khí. Va chạm giữa các phân tử hơi nước và các phân tử khí khác chỉ kéo dài thời gian cần thiết để đạt đến trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, trạng thái cân bằng cuối cùng sẽ đạt được khi số lượng phân tử nước chuyển thành hơi nước bằng với số lượng phân tử hơi nước chuyển thành nước.
