Aurumine ja kondenseerumine. Keemine

Vedeliku molekulid hüppavad aeg-ajalt ühest kohast teise. Kuna molekule on väga palju, tähendab see seda, et tegelikult liigub vedelikus ühes sekundis ühest kohast teise lugematu arv molekule. Seetõttu põrkuvad vedeliku molekulid üksteisega väga sageli ning need, mis asuvad vedeliku pinna lähedal, võivad saada kiiruse, mis võimaldab neil vedelikust väljuda. Need vedelikust väljunud molekulid moodustavad vedeliku pinna kohal auru.

Õhus leiduvat gaasilist ainet nimetatakse auruks[mõiste: aur – õhus leiduv gaasiline aine, mis saab samal temperatuuril olla ka vedelas olekus], kui auruv aine saab antud temperatuuril olla ka vedelas olekus. Sellepärast öeldakse, et meid ümbritsevas õhus on veeaur, mida nimetatakse ka õhuniiskuseks[mõiste: õhuniiskus – iseloomustab õhus oleva veeauru hulka]. Aga näiteks õhus olevat gaasilist hapnikku nimetatakse gaasiks, sest hapnik saab olla vedelas olekus ainult alla –183 °C.

Aurumine võib toimuda igasugusel temperatuuril, sest aurumiseks tuleb ainele soojust juurde anda. Aurumiseks vajaliku soojushulga saab arvutada seosest $Q=L_a·m$, kus L_a on aurumissoojus ja m vedeliku mass. Aurumissoojus[mõiste: aurumissoojus – näitab soojushulka, mida on vaja, et muuta 1 kg vedelikku auruks antud temperatuuril] näitab soojushulka, mida on vaja, et muuta 1 kg vedelikku auruks antud temperatuuril. Aurumissoojuse mõõtühik on $1\mathrm{ }\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}$. 

Iga aine aurumissoojus on erinev ja oleneb temperatuurist. Aurumissoojus väheneb, kui temperatuur tõuseb, sest molekulide kineetiline energia ja kiirus kasvavad ja neil on kergem ületada vedeliku molekulide vahelist tõmbejõudu, et vedelikust väljuda. Näiteks vee aurumissoojus $0\mathrm{°}\mathrm{C}$ juures on $2590\mathrm{ }\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}}$, aga $100\mathrm{°}\mathrm{C}$ juures $2260\mathrm{ }\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{kg}}$. See tähendab, et 1 kg vee aurumiseks $0\mathrm{°}\mathrm{C}$ juures kulub 2590 kJ soojust, aga $100\mathrm{°}\mathrm{C}$ juures 2260 kJ soojust. Kõige väiksem on aurumissoojus keemistemperatuuril.

Aurumise pöördprotsess, st aine üleminek gaasilisest olekust vedelasse on kondenseerumine. Ka see võib toimuda igasugusel temperatuuril. Kondenseerumise käigus eralduv soojushulk $Q_k$ on võrdne aurustumise ajal neelduva soojushulgaga: $‒Q_k=Q_a$.

Kui vedelikku soojendatakse, toimub paralleelselt kaks protsessi: soojenemine ja jahtumine. Soojenemise põhjustab soojusallikalt tulev energia. Jahtumine leiab aset sellepärast, et aurumisel lahkuvad vedelikust kõige kiiremini liikuvad molekulid, mis viivad vedelikust energiat ära. Soojusallikast tulev energia kulub nii molekulide kineetilise energia suurendamiseks, st vee temperatuuri tõstmiseks kui ka molekulide vaheliste sidemete lõhkumiseks ehk aurustumiseks. Kui temperatuur on madalam, on ülekaalus soojenemine, mille osakaal temperatuuri tõustes väheneb. Põhjus on selles, et madalamal temperatuuril on soojendaja ja vedeliku temperatuuri erinevus suurem, mistõttu on ka üleantav soojushulk suurem, sest soojushulk ja temperatuuri muut on võrdelises seoses: Q ~ Δt. Kui temperatuur tõuseb, siis jahtumise osakaal suureneb, kuna kasvab äraantav soojushulk, sest kiiresti liikuvaid molekule (mis vedelikust lahkuvad) tuleb aina juurde. Teatud hetkel muutub vedeliku molekulide liikumine nii kiireks, et aurustumine hakkab toimuma ka vedeliku sees – tekivad aurumullid. See suurendab veelgi äraantavat soojushulka.

Aurumullid liiguvad vedeliku pinna poole ja kui vedeliku pinnakihtide temperatuur on põhjakihtide temperatuurist madalam, muutuvad tõusvad mullid järjest väiksemaks ega jõua pinnale. Kui vedelikku edasi soojendada, jõuavad väikesed mullid pinnani, kus nad lõhkevad ja tekib kahin. Teatud temperatuuril mullid tõustes hoopis paisuvad ja pinnale jõudes lõhkevad. Tekib mulin ja me ütleme, et vedelik keeb. Aurumull jõuab pinnale siis, kui temas oleva gaasi rõhk on suurem kui väline õhurõhk. Kuni keemiseni termomeetri näit tõuseb, edasi aga jääb muutumatuks. Normaalse õhurõhu ja puhta vee korral juhtub see temperatuuril 100 °C.

Kuni keemiseni kulub suurem osa juurdeantavast energiast vee temperatuuri tõstmiseks, st molekulide kineetilise energia suurendamiseks. Keemise ajal temperatuur vaatamata soojuse pidevale juurdevoolule enam ei tõuse, sest kiirete molekulide vedelikust lahkumise tõttu on äraantav soojushulk suur ning juurdeantav soojushulk kulub peamiselt aurumiseks, st molekulide vaheliste sidemete lõhkumiseks.

Temperatuur, mille juures vedelik keeb, on keemistemperatuur[mõiste: keemistemperatuur – temperatuur, mille juures vedelik keeb], ja see oleneb vedeliku pinna kohal olevast õhurõhust. Mida madalam on rõhk, seda madalam on keemistemperatuur, sest siis on vedeliku pinna kohal vähem õhumolekule, mis takistavad molekulide väljumist vedelikust. Seetõttu keeb kõrgmäestikus, kus õhurõhk on palju väiksem kui merepinnal, vesi madalamal temperatuuril kui 100 °C. Näiteks 6 km kõrgusel mägedes keeb vesi umbes temperatuuril 80 °C. Kõrgema rõhu korral keemistemperatuur tõuseb, sest vedeliku pinna kohal on rohkem takistavaid õhumolekule. Kiirkeedupottides tekitatakse kõrgema temperatuuri saavutamiseks kõrgem rõhk.

Soojushulka, mida on vaja, et muuta 1 kg vedelikku auruks keemistemperatuuril, nimetatakse keemissoojuseks[mõiste: keemissoojus – soojushulk, mida on vaja, et muuta 1 kg vedelikku auruks keemistemperatuuril], mille tähis on L_k ja mõõtühik $1\mathrm{ }\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}$. Sageli jäetakse keemisele viitav alaindeks k kirjutamata. Keemiseks ja aurumiseks vajalik soojushulk arvutatakse ühtemoodi: $Q=L_k·m$.