Мы уже рассматривали испарение и конденсацию
, но исключительно с термодинамической точки зрения. Рассмотрим теперь эти процессы с точки зрения MKT и постараемся сопоставить полученные результаты с тем, что нам известно из термодинамики.
Если кинетическая энергия молекулы жидкости по какой-либо причине станет больше глубины потенциальной ямы, то она покинет свое «насиженное место» и перескочит на другое (§ 27). При этом все направления движения молекулы равновероятны. В том числе, не запрещено ей двигаться и в сторону свободной поверхности жидкости. Для большинства молекул и это движение закончится тем, что они будут «пойманы», однако, некоторые из тех молекул, которые находятся недалеко от поверхности жидкости, т. е. на расстояниях, сопоставимых с длиной свободного пробега, могут оказаться вне жидкости, точнее над жидкостью. Это и есть испарение жидкости. Над жидкостью молекулы уже не связаны с жидкостью и, при не слишком больших давлениях, друг с другом. Часть жидкости обратилась в газообразное состояние, в пар. Если вспомнить, что и для жидкостей справедливо максвеллово распределение молекул по скоростям, то можно с уверенностью сказать, что при любой температуре жидкости всегда найдется некоторое количество молекул, скорость которых достаточна для того, чтобы молекула могла выйти из жидкости. Таким образом легко объясняется известный экспериментальный факт — испарение жидкостей происходит при любой температуре. При этом, если к жидкости не подводится тепло извне, ее температура понижается, т. к. уменьшается средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул, уходят из жидкости самые быстрые молекулы. Понижение температуры жидкости при испарении легко проверить экспериментально — положите себе на руку тряпочку, смоченную в воде комнатной температуры; еще больший эффект даст тряпочка, смоченная в эфире, потому что эфир — быстро испаряющаяся жидкость. Сколько молекул в единицу времени «выскочат» наружу, зависит от температуры жидкости и от площади ее поверхности. Двигаясь хаотически над жидкостью, молекула, независимо от температуры жидкости и находящегося над ней пара (будем считать, что они равны), имеет некоторую вероятность снова оказаться в жидкости. Сколько молекул в единицу времени снова окажутся молекулами жидкости, зависит от концентрации молекул пара. Пока она мала, процесс испарения доминирует над конденсацией, но при этом концентрация молекул пара все время увеличивается, а, значит, растет и число молекул, попадающих обратно в жидкость. Наконец, концентрация молекул пара становится такой, что число конденсирующихся молекул равно числу испаряющихся. Наступает динамическое равновесие между жидкостью и паром, пар становится насыщенным. Теперь, если мы увеличим температуру жидкости, увеличив тем самым и среднюю кинетическую энергию ее молекул и число «быстрых» молекул, то процесс испарения снова начнет доминировать до тех пор, пока снова не установится динамическое равновесие. Но уже при большем давлении. Если мы уменьшим температуру жидкости, то доминировать будет процесс конденсации и тоже вплоть до установления динамического равновесия. Но уже при меньшем давлении. Если же мы, не меняя температуры, с помощью поршня уменьшим объем пара, то на очень короткое время тем самым увеличим концентрацию его молекул и, следовательно, скорость конденсации. Скорость испарения останется прежней и динамическое равновесие установится при том же давлении. Если мы будем изменять объем не слишком быстро, процесс пойдет при постоянном давлении. А само давление насыщенного пара зависит только от температуры.