动力学理论
蒸发过程可以用分子运动论来解释。水分子和气体分子一样,也会运动。不同之处在于,水分子之间由于彼此间的吸引力而无法分离。相比之下,气体分子之间的吸引力非常弱,因此气体分子无法聚集在一起。水分子在运动时具有一定的速度。有些水分子速度很快,而有些水分子速度很慢。水分子速度的分布类似于麦克斯韦分布。
当水分子运动速度足够大,以至于水分子间的吸引力不足以将它们结合在一起时,就会发生蒸发。这类似于火箭进入太空,火箭的速度足够大,以至于地球引力无法将其束缚在地球上。需要注意的是,只有速度极高的分子才能摆脱分子间的吸引力。速度较慢的分子仍然会结合形成水。
水分子具有质量和速度,因此水分子具有动能(EK = 1/2 mv²)。2高速运动的水分子比低速运动的水分子具有更大的动能。因此,可以说能够克服分子间吸引力的水分子(即蒸发成水蒸气的水分子)具有相当大的动能。通常,水分子的动能会随着水温的升高而增加。当水温足够高时,水分子的动能会进一步增加,从而导致更多的水蒸发成水蒸气。这与研究结果相符,即高温下蒸发速率通常更快。
当我们把湿衣服放在阳光下晾晒时,湿衣服会吸收太阳散发的热量。太阳的额外能量会增加衣服中水分子的动能。由于动能的增加,水分子运动得更快(水分子速度加快)。当水分子的速度或动能达到一定值时,它们就能克服分子间的吸引力,变成水蒸气。需要注意的是,湿衣服的干燥不仅受太阳额外热量的影响。衣服周围温暖空气的额外热量也能帮助衣服干燥(热量通过传导从空气传递到湿衣服)。
在炎热的天气里,地面或地板升温更快。地面升温快是因为其比热容很大。地面加热其上方的空气(在这种情况下,热传递是通过传导进行的)。热空气膨胀(密度降低)并向上运动。当它经过潮湿的衣物时,空气分子会与衣物中的水分子碰撞。水分子运动速度加快。由于运动速度加快,水分子的动能增加。快速运动的水分子与其他水分子碰撞。由于它们不断地与空气分子碰撞,水分子的运动速度进一步加快(动能增加)。
当水分子的速度或动能达到一定值时,高速运动的水分子就能摆脱分子间的吸引力,变成水蒸气……水分子或空气分子的动能与温度密切相关。水分子的动能越大,水温也越高。反之亦然,水温越高,水分子的动能也越大。动能也与速度有关。分子的动能越大,分子的速度也越大。反之亦然,分子的速度越大,分子的动能也越大。
那么热水呢?热水温度很高。由于水温高,水中的水分子具有较大的平均动能。由于水分子的平均动能较大,许多水分子的运动速度也很快。这些高速运动的水分子能够挣脱分子间的吸引力,变成水蒸气。只有高速运动的水分子(动能较大的水分子)才能变成水蒸气,而低速运动的水分子(动能较小的水分子)则不会变成水蒸气。因此,当高速运动的水分子变成水蒸气时,剩余水分子的平均动能就会降低。平均动能越小,水温就越低(水变冷)。综上所述,蒸发是一个冷却过程。
蒸发带来的降温过程在日常生活中十分常见。当空气温度较高时,人体会吸收大量热量。为了维持体温恒定,人体通常会通过出汗来散热。由于汗液会从阳光和周围空气中吸收额外的热量,汗液分子的动能会增加。动能的增加导致汗液分子的运动速度加快,最终蒸发成水蒸气。当汗液蒸发时,人体就会感到凉爽。再举一个例子……通常洗完澡后,我们会感觉身体凉爽。这是因为附着在皮肤表面的水分蒸发掉了。
上述蒸发过程每天都在发生。海水、湖水和河水也会蒸发……
蒸汽压
这里所说的蒸汽指的是水蒸气。请看图。一个装满水的密闭容器(假设容器内的空气已被抽走)。根据分子运动论,水分子始终处于运动状态。运动时,水分子具有速度和动能。速度和动能足够大的水分子可以克服分子间的吸引力,变成蒸汽……隔壁容器中的水分子也发生同样的过程。随着时间的推移,越来越多的水分子变成蒸汽。由于容器是密闭的,变成蒸汽的水分子无法逸散到大气中(它们被困在容器内)。变成蒸汽的水分子数量足够多,以至于分子之间有可能发生碰撞,撞击容器壁。
撞击容器壁的部分水分子会被反射回水面并结合形成水。这个过程不断重复。随着时间的推移,越来越多的水分子会变成水蒸气(由液态变为气态)。与此同时,撞击容器壁的部分水分子也会重新凝结成水(由气态变为液态)。如果由液态变为气态的分子数等于由气态变为液态的分子数,则达到平衡。当达到平衡时,容器顶部的水蒸气层被称为饱和区……饱和区的蒸汽压称为饱和蒸汽压。
水从液态变为气态的过程称为蒸发,从气态变为液态的过程称为冷凝。需要注意的是,饱和蒸汽压仅取决于温度,而与体积无关。随着水温升高,水分子的动能也随之增加。
水分子的动能增加,因此水分子的运动速度也随之增加。这样一来,越来越多的高速水分子就会汽化(由液态变为气态)。由于容器的体积固定,蒸汽压仅取决于水分子的数量(N)和速度(v)。

转化为蒸汽的分子越多(N 值越大),这些分子的运动速度越快(v 值越大),蒸汽压就越高。因此,平衡状态会在更高的蒸汽压下达到。所以,饱和蒸汽压也会升高。饱和蒸汽压只有在达到平衡状态时才存在。下图显示了水的饱和蒸汽压随温度的变化。

蒸气压取决于体积,但饱和蒸气压则不然。如果容器的体积增大或减小,最终都会达到平衡。上图只是为了帮助您理解大气中的饱和蒸气压。不同之处在于,在之前的图中,我们假设容器中不含水的部分没有空气。因此,容器中不含水的部分只充满水蒸气。而地球表面始终充满空气。蒸气分子与其他气体分子之间的碰撞只会延长达到平衡所需的时间。然而,当转化为蒸气的水分子数量等于转化为水的蒸气分子数量时,最终会达到平衡。