彭瓜潘

動力學理論

蒸發過程可以用分子運動論來解釋。水分子和氣體分子一樣,也會運動。不同之處在於,水分子之間由於彼此間的吸引力而無法分離。相較之下,氣體分子之間的吸引力非常弱,因此氣體分子無法聚集在一起。水分子在運動時具有一定的速度。有些水分子速度很快,有些水分子速度很慢。水分子速度的分佈類似麥克斯韋分佈。

當水分子運動速度足夠大,以至於水分子間的吸引力不足以將它們結合在一起時,就會發生蒸發。這類似於火箭進入太空,火箭的速度足夠大,以至於地球引力無法將其束縛在地球上。要注意的是,只有速度極高的分子才能擺脫分子間的吸引力。速度較慢的分子仍會結合形成水。

水分子具有質量和速度,因此具有動能(EK = 1/2 mv²)。速度快的水分子比速度慢的水分子有更大的動能。因此,可以說能夠克服分子間吸引力的水分子(即變成水蒸氣的水分子)具有相當大的動能。通常,水分子的動能會隨著水溫的升高而增加。如果水溫夠高,水分子的動能就會增加,因此有更多的水變成水蒸氣。這與研究結果相符,即蒸發速率通常在高溫下更快。

當我們把濕衣服放在陽光下晾曬時,濕衣服會吸收太陽散發的熱量。太陽的額外能量會增加衣服中水分子的動能。由於動能的增加,水分子運動得更快(水分子速度加快)。當水分子的速度或動能達到某一值時,它們就能克服分子間的吸引力,變成水蒸氣。需要注意的是,濕衣服的乾燥不僅受太陽額外熱量的影響。衣服周圍溫暖空氣的額外熱量也能幫助衣服乾燥(熱量透過傳導從空氣傳遞到濕衣服)。

在炎熱的天氣裡,地面或地板升溫較快。地面升溫快是因為其比熱容大。地面加熱其上方的空氣(在這種情況下,熱傳遞是透過傳導進行的)。熱空氣膨脹(密度降低)並向上移動。當它經過潮濕的衣物時,空氣分子會與衣物中的水分子碰撞。水分子運動速度加快。由於運動速度加快,水分子的動能增加。快速運動的水分子與其他水分子碰撞。由於它們不斷地與空氣分子碰撞,水分子的運動速度進一步加快(動能增加)。

當水分子的速度或動能達到某一值時,高速運動的水分子就能擺脫分子間的吸引力,變成水蒸氣…水分子或空氣分子的動能與溫度密切相關。水分子的動能越大,水溫也越高。反之亦然,水溫越高,水分子的動能也越大。動能也與速度有關。分子的動能越大,分子的速度也越大。反之亦然,分子的速度越大,分子的動能也越大。

那麼熱水呢?熱水溫度很高。由於水溫高,水中的水分子具有較大的平均動能。由於水分子的平均動能較大,許多水分子的移動速度也很快。這些高速運動的水分子能夠掙脫分子間的吸引力,變成水蒸氣。只有高速運動的水分子(動能較大的水分子)才能變成水蒸氣,而低速運動的水分子(動能較小的水分子)則不會變成水蒸氣。因此,當高速運動的水分子變成水蒸氣時,剩餘水分子的平均動能就會降低。平均動能越小,水溫越低(水變冷)。綜上所述,蒸發是一個冷卻過程。

蒸發帶來的降溫過程在日常生活中十分常見。當空氣溫度較高時,人體會吸收大量熱量。為了維持體溫恆定,人體通常會透過流汗來散熱。由於汗水會從陽光和周圍空氣中吸收額外的熱量,因此汗液分子的動能會增加。動能的增加導致汗液分子的運動速度加快,最後蒸發成水蒸氣。當汗水蒸發時,人體就會感到涼爽。再舉一個例子……通常洗完澡後,我們會覺得身體涼爽。這是因為附著在皮膚表面的水分蒸發掉了。

上述蒸發過程每天都在發生。海水、湖水和河水也會蒸發…

蒸氣壓

蒸發 3這裡所說的蒸氣指的是水蒸氣。請看圖。一個裝滿水的密閉容器(假設容器內的空氣已被抽走)。根據分子運動理論,水分子始終處於運動狀態。運動時,水分子具有速度和動能。速度和動能足夠大的水分子可以克服分子間的吸引力,變成蒸氣……隔壁容器中的水分子也發生同樣的過程。隨著時間的推移,越來越多的水分子變成蒸氣。由於容器是密閉的,變成蒸氣的水分子無法逸散到大氣中(它們被困在容器內)。變成蒸氣的水分子數量足夠多,以至於分子之間有可能發生碰撞,撞擊容器壁。

撞擊容器壁的部分水分子會被反射回水面並結合形成水。這個過程不斷重複。隨著時間的推移,越來越多的水分子會變成水蒸氣(由液態變成氣態)。同時,撞擊容器壁的部分水分子也會重新凝結成水(由氣態變成液態)。如果由液態變成氣態的分子數等於由氣態變成液態的分子數,則達到平衡。當達到平衡時,容器頂部的水蒸氣層稱為飽和區域…飽和區的蒸氣壓稱為飽和蒸氣壓。

水從液態變成氣態的過程稱為蒸發,從氣態變成液態的過程稱為冷凝。需要注意的是,飽和蒸氣壓僅取決於溫度,而與體積無關。隨著水溫升高,水分子的動能也隨之增加。

水分子的動能增加,因此水分子的運動速度也隨之增加。這樣一來,越來越多的高速水分子就會汽化(由液態變成氣態)。由於容器的體積固定,蒸汽壓僅取決於水分子的數量(N)和速度(v)。

蒸發 2

轉化為蒸氣的分子越多(N 值越大),這些分子的移動速度越快(v 值越大),蒸氣壓就越高。因此,平衡狀態會在更高的蒸氣壓下達到。所以,飽和蒸氣壓也會升高。飽和蒸汽壓只有在達到平衡狀態時才存在。下圖顯示了水的飽和蒸氣壓隨溫度的變化。

蒸發 1

蒸氣壓取決於體積,但飽和蒸氣壓則不然。如果容器的體積增加或減少,最終都會達到平衡。上圖只是為了幫助您理解大氣中的飽和蒸氣壓。不同之處在於,在先前的圖中,我們假設容器中不含水的部分沒有空氣。因此,容器中不含水的部分只充滿水蒸氣。而地球表面始終充滿空氣。蒸氣分子與其他氣體分子之間的碰撞只會延長達到平衡所需的時間。然而,當轉化為蒸氣的水分子數量等於轉化為水的蒸氣分子數量時,最終會達到平衡。

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