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 bị phân tán vì lực hút giữa các phân tử vẫn giữ chúng lại với nhau. Ngược lại, lực hút giữa các phân tử khí rất yếu, do đó các phân tử khí không thể kết hợp lại. Khi chuyển động, các phân tử nước có vận tốc. Có những phân tử nước có tốc độ cao; cũng có những phân tử nước có vận tốc thấp. Sự phân bố vận tốc của các phân tử nước giống với sự phân bố Maxwell.
Hiện tượng 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 tên lửa bay vào không gian, tốc độ của tên lửa đủ lớn khiến lực hấp dẫn của Trái đất không thể giữ nó ở lại trên Trái đất. Lưu ý rằng chỉ những phân tử có vận tốc lớn mới có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử. Các phân tử có tốc độ nhỏ vẫn liên kết với nhau, giống như nước.
Các phân tử nước có khối lượng và vận tốc, do đó chúng có động năng (EK = 1/2 m v2). Các phân tử nước chuyển động nhanh có động năng cao hơn các phân tử nước chuyển động chậm. Vì vậy, có thể khẳng định 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 đáng kể. 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, càng nhiều nước sẽ chuyển thành hơi nước. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ bay hơi thường cao 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 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). Sau 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, rồi chuyển thành hơi nước. Xin lưu ý rằng việc làm khô quần áo ướt không chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt lượng 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 từ không khí đến quần áo ướt bằng dẫn nhiệt).
Vào những ngày nóng, mặt đất trở nên nóng hơn. Mặt đất làm nóng không khí phía trên nó (trong trường hợp này, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt). Không khí nóng giãn nở (mật độ giảm) và di chuyển lên trên. Khi quần áo ướt đi qua, các phân tử nước va chạm với các phân tử nước bên trong quần áo. Các phân tử nước chuyển động càng nhanh, động năng của các phân tử nước càng tăng. Các phân tử nước chuyển động nhanh va chạm với các phân tử nước khác. Vì liên tục bị các phân tử không khí va chạm, các phân tử nước chuyển động nhanh hơn (động năng tăng). Khi vận tốc hoặc 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 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 phân tử càng cao, tốc độ của phân tử càng cao. Hoặc ngược lại, tốc độ của phân tử càng cao, động năng của phân tử càng cao.
Còn nước nóng thì sao? Nước nóng có nhiệt độ cao. Do nhiệt độ cao, các phân tử trong nước có động năng khá trung bình. Vì động năng trung bình đáng kể của các phân tử nước, nhiều phân tử nước có vận tốc cao. Các phân tử nước có tốc độ cao có thể thoát khỏi lực hút giữa các phân tử và biến thành hơi nước. Các phân tử nước có vận tốc thấp (các phân tử nước có động năng nhỏ) không biến thành hơi nước. Do đó, khi các phân tử nước có vận tốc cao biến thành hơi nước, động năng trung bình của các phân tử nước trở nên nhỏ hơn. Động năng trung bình càng nhỏ, nhiệt độ nước càng thấp. Dựa trên mô tả ngắn gọn này, có thể khẳng định rằng sự bay hơi là một quá trình làm mát.
Quá trình làm mát nhờ sự bay hơi luôn diễn ra trong cuộc sống hàng ngày. Khi không khí đủ nóng, cơ thể hấp thụ một lượng nhiệt lớn. Để giữ cho 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 nước trong mồ hôi tăng lên. Do động năng của các phân tử nước trong mồ hôi tăng lên, tốc độ của chúng cũng tăng lên. Các phân tử mồ hôi biến thành hơi nước. Khi mồ hôi bay hơi, cơ thể cảm thấy mát mẻ.
Thông thường, sau khi tắm, cơ thể chúng ta cảm thấy mát mẻ. Điều này là do nước bám trên bề mặt da trải qua quá trình bay hơi.
Quá trình bay hơi được mô tả ở trên luôn diễn ra hàng ngày. Nước biển, nước hồ, nước sông cũng có thể bay hơi.
Áp suất hơi
Ở đây, "hơi nước" được hiểu là hơi nước trong không khí. Hãy quan sát hình vẽ. Một bình kín chứa đầy nước (giả sử không khí bên trong bình đã được hút hết). Theo lý thuyết động học, các phân tử nước luôn chuyển động. Khi chuyển động, các phân tử nước có vận tốc và năng lượng. Các phân tử nước có vận tốc và động năng lớn sẽ thoát khỏi lực hút giữa các phân tử nước và biến thành hơi nước.
Quá trình tương tự cũng xảy ra với các phân tử nước trong một vật chứa. Theo thời gian, ngày càng nhiều phân tử nước chuyển thành hơi nước. Vì vật chứa được đóng kín, các phân tử nước đã chuyển thành hơi nước không thể thoát ra ngoài không khí (các phân tử bị giữ lại bên trong vật chứa). Lượng phân tử nước chuyển thành hơi nước khá nhiều, vì vậy có khả năng xảy ra va chạm giữa các phân tử với thành vật chứa.
Một số phân tử va đập vào thành bình sẽ bị phản xạ về phía bề mặt nước và hòa vào nước. Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục. Theo thời gian, ngày càng nhiều phân tử nước chuyển thành hơi nước (từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí). Đồng thời, một số phân tử va đập vào thành bình sẽ chuyển trở lại thành nước (từ trạng thái hơi nước 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 sẽ đạt được trạng thái cân bằng. Khi đạt được trạng thái cân bằng, phần trên của bình chứa khí 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. Tuy nhiên, sự chuyển đổi từ trạng thái hơi nước sang trạng thái lỏng được gọi là sự ngưng tụ. Lưu ý rằng áp suất hơi bão hòa chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và không phụ thuộc vào thể tích. Nếu nhiệt độ nước tăng, 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. Vì vậy, ngày càng nhiều phân tử có tốc độ cao sẽ chuyển thành hơi nước (chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi). 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 chuyển thành hơi nước và tốc độ của các phân tử càng cao thì áp suất hơi cũng tăng lên. Do đó, trạng thái cân bằng sẽ xảy ra ở áp suất hơi cao hơn. Vì vậy, áp suất hơi bão hòa cũng cao hơn. Áp suất hơi bão hòa chỉ tồn tại khi đạt được trạng thái cân bằng.
Áp suất hơi phụ thuộc vào thể tích, nhưng áp suất hơi bão hòa thì không phụ thuộc vào thể tích. Nếu thể tích của bình chứa tăng hoặc giảm, sẽ xảy ra trạng thái cân bằng. Hình minh họa ở trên chỉ nhằm mục đích giúp bạn hiểu về áp suất hơi bão hòa xảy ra trong khí quyển. Sự khác biệt là, trong ví dụ trước, chúng ta giả định rằng không có nước trong phần bình chứa không chứa nước. Do đó, phần bình không chứa nước chỉ chứa hơi nước. Mặt khác, bề mặt trái đất luôn luôn chứa đầy không khí. Sự va chạm giữa các phân tử hơi nước và các phân tử khí khác chỉ kéo dài trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, đến một lúc nào đó, sẽ có sự cân bằng nếu số lượng phân tử nước chuyển thành hơi nước bằng với số lượng phân tử hơi nước chuyển thành nước.
