ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Η κινητική θεωρία αναπτύχθηκε για να ερμηνεύσει τη συμπεριφορά των αερίων.Όμως κάποια από τα συμπεράσματά της,ποιοτικά τουλάχιστον,ισχύουν για όλες τις μορφές της ύλης.Το συμπέρασμα με την ευρύτερη εφαρμογή είναι η σχέση ανάμεσα στη μέση κινητική ενέργεια των μορίων και τη θερμοκρασία.

 Σ’ ένα στερεό τα μόρια ασκούν το ένα στο άλλο ισχυρές δυνάμεις,με αποτέλεσμα να παραμένουν σταθερά «δεμένα» σε κάποιες θέσεις.Η μόνη κίνηση που τους επιτρέπεται είναι μια ταλάντωση γύρω από τη συγκεκριμένη θέση τους.Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία του στερεού,οι ταλαντώσεις των μορίων του γίνονται πιο έντονες (με μεγαλύτερο πλάτος),πάντα όμως γύρω από την ίδια θέση.Βλέπουμε ότι και εδώ η κινητικότητα των μορίων αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας.
 Όταν η θερμοκρασία πάρει ορισμένη τιμή-που τη λέμε θερμοκρασία ή σημείο τήξης του στερεού-τα μόριά του ταλαντώνονται με τόση ενέργεια ώστε να μπορούν να “ξεκολλήσουν” από τη θέση τους.Η οργανωμένη δομή του στερεού καταστρέφεται.Το στερεό τήκεται,περνάει δηλαδή στην υγρή φάση.

Η ΕΞΑΕΡΙΩΣΗ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ

  Η δομή των υγρών είναι πολύ πιο κοντά στη δομή των αερίων απ’ ότι στη δομή των στερεών.Εδώ τα μόρια δεν έχουν συγκεκριμένες θέσεις,οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων όμως είναι τόσο ισχυρές ώστε να μη μπορούμε να τις αγνοήσουμε.Θα έλεγε κανείς ότι τα μόρια έχουν την ελευθερία να ταξιδεύουν,με διάφορες ταχύτητες,στο χώρο που καταλαμβάνει το υγρό.Η ελευθερία των μορίων δεν είναι απόλυτη όπως στα ιδανικά αέρια και η κίνησή τους δεν είναι ευθύγραμμη ομαλή.Παρόλα αυτά,οι ταχύτητες των μορίων στα υγρά ακολουθούν κατανομή που μοιάζει αρκετά με αυτή των Maxwell-Boltzmann για τα αέρια.Αυτό σημαίνει ότι μέσα στο υγρό πάντα υπάρχει ένας αριθμός μορίων που έχουν αρκετά μεγάλες ταχύτητες,που τους επιτρέπουν να “δραπετεύσουν” από τις διαμοριακές έλξεις και να εγκαταλείψουν το υγρό από την ελεύθερη επιφάνειά του.Πρόκειται για το φαινόμενο της εξάτμισης.

Στην εξάτμιση μόρια εγκαταλείπουν την υγρή φάση μόνο από την επιφάνεια του υγρού

  Δύο παρατηρήσεις από την καθημερινή ζωή  επαληθεύουν την υπόθεσή μας.

α) Οποιοδήποτε υγρό εξατμίζεται εντονότερα όταν η θερμοκρασία του είναι μεγαλύτερη.(Τα ρούχα στεγνώνουν γρηγορότερα το καλοκαίρι).

β) Όταν εξατμίζεται ένα υγρό η θερμοκρασία του πέφτει.(Όταν κάποιος έχει πυρετό τού βάζουμε κομπρέσες με νερό στο οποίο προσθέτουμε κάποιο υγρό που εξατμίζεται γρήγορα στη θερμοκρασία του δωματίου,(π.χ οινόπνευμα),μ’ αποτέλεσμα το υγρό να διατηρείται δροσερό).

 Είδαμε ότι όταν αυξάνει η θερμοκρασία η καμπύλη της κατανομής των ταχυτήτων των μορίων των αερίων μετατοπίζεται προς τα δεξιά. Αυτό  σημαίνει ότι, κατά μέσο όρο,οι ταχύτητες των μορίων αυξάνονται.Κάτι ανάλογο συμβαίνει και με τις ταχύτητες των μορίων του υγρού.Είναι λοιπόν αναμενόμενο,όταν θερμαίνεται το υγρό να αυξάνεται ο αριθμός των μορίων της ελεύθερης επιφάνειας του υγρού που έχουν την απαραίτητη κινητική ενέργεια για να εγκαταλείψουν το υγρό.

 Καθώς τα πιο γρήγορα μόριά του εγκαταλείπουν το υγρό,η μέση κινητική ενέργεια των μορίων που απομένουν μικραίνει.Σύμφωνα με τη σχέση  που συνδέει τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων των ιδανικών αερίων με τη θερμοκρασία και,απ’ ότι φαίνεται,ισχύει ποιοτικά και για τα υγρά,είναι και θεωρητικά αναμενόμενο να ψύχεται το υγρό.

Στο βρασμό μόρια εγκαταλείπουν την υγρή φάση από το σύνολο του όγκου του υγρού

 Εάν τώρα αυξήσουμε τη θερμοκρασία του υγρού,φτάνουμε σε μια θερμοκρασία,τη θερμοκρασία ή σημείο ζέσεως,στην οποία  ένας πολύ μεγάλος αριθμός μορίων από όλο τον όγκο του και όχι μόνο από την ελεύθερη επιφάνειά του αποκτά την απαραίτητη κινητική ενέργεια για να εγκαταλείψει το υγρό.
 Έχουμε το φαινόμενο του βρασμού.

 Η εξάτμιση και ο βρασμός είναι δύο μορφές του φαινομένου της εξαερίωσης των υγρών.

 Από τα προηγούμενα προκύπτει ότι οποιοδήποτε υγρό,με την πάροδο του χρόνου,θα πρέπει να εξατμισθεί πλήρως.Ο χρόνος που θα χρειαστεί γι’ αυτό εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος,την ποσότητα του υγρού,το εμβαδόν της ελεύθερης επιφάνειάς του καθώς και το είδος του υγρού (πόσο ισχυρές είναι οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του).

 Υπάρχει όμως ένα φαινόμενο που κλονίζει λίγο τη βεβαιότητά μας.Γνωρίζουμε όλοι ότι εάν αποθηκεύσουμε ένα υγρό μέσα σ’ ένα μπουκάλι που κλείνει καλά,όσα χρόνια κι αν περάσουν,ακόμη και αν η θερμοκρασία είναι ψηλή και το υγρό από αυτά που εξατμίζονται εύκολα,το υγρό μας δεν πρόκειται να εξατμισθεί πλήρως.

 Σ' αυτό το αδιέξοδο φτάσαμε γιατί στους συλλογισμούς μας δεν πήραμε υπόψη κάτι βασικό. Εάν κάποια μόρια του υγρού μπορούν να διαφεύγουν από το υγρό σχηματίζοντας ατμό πάνω από την ελεύθερη επιφάνειά του,γιατί να μην μπορεί να συμβεί και το αντίστροφο,δηλαδή κάποια μόρια να περνούν από την αέρια φάση στην υγρή;Εξάλλου το φαινόμενο της υγροποίησης των ατμών είναι εξίσου οικείο με αυτό της εξάτμισης.Οι υδρατμοί της ατμόσφαιρας υγροποιούνται στα τζάμια όταν αυτά είναι κρύα.

 Έχουμε λοιπόν δύο ανταγωνιστικά φαινόμενα,αυτό της εξάτμισης και αυτό της υγροποίησης.Όταν υπάρχει μια δυναμική ισορροπία ανάμεσα στην εξάτμιση και την υγροποίηση (η ποσότητα υγρού που εξατμίζεται είναι ίση με την ποσότητα του ατμού που υγροποιείται στον ίδιο χρόνο),η ποσότητα του υγρού και η ποσότητα του ατμού πάνω από την ελεύθερη επιφάνειά του παραμένουν σταθερές.Ακριβώς αυτό συμβαίνει στην περίπτωση του υγρού μέσα στο κλειστό μπουκάλι.

 Η ταχύτητα με την οποία υγροποιείται ο ατμός εξαρτάται από το πόσο χαμηλή είναι η θερμοκρασία και από την ποσότητα των ατμών πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού.

 Όταν η εξάτμιση και η υγροποίηση βρίσκονται σε ισορροπία η ποσότητα των ατμών που βρίσκονται πάνω από την επιφάνεια  του υγρού είναι η μέγιστη δυνατή για τις δεδομένες συνθήκες και τον διαθέσιμο χώρο.Τότε οι ατμοί λέγονται κορεσμένοι.

 Αποκαλύψαμε τώρα,έμμεσα,ένα νέο τρόπο να επιταχύνουμε την εξάτμιση ενός υγρού,εκτός από το να του αυξήσουμε τη θερμοκρασία.Αρκεί να απομακρύνουμε συνεχώς πάνω από την ελεύθερη του επιφάνεια τους ατμούς για να ελαχιστοποιούμε το φαινόμενο της υγροποίησης.Ίσως τώρα καταλαβαίνουμε γιατί ο καλύτερος καιρός για να στεγνώσουν τα απλωμένα ρούχα είναι να κάνει ζέστη αλλά και να φυσάει.