Aurumine
Aurumine on vedela aine minek gaasilisse agregaatolekusse vastava aine keemistemperatuurist madalamal temperatuuril.
Aurustumisel lendavad (eralduvad) vedeliku või tahke aine pinnalt osakesed (molekulid, aatomid), mille kineetiline energia peab olema piisav, et teha tööd, mis on vajalik vedeliku teiste molekulide tõmbejõudude ületamiseks[1]. Aurustumise käigus aurustunud vedelikust väljavõetud energia vähendab vedeliku temperatuuri, mille tulemuseks on aurustumisjahutus[2].
Keskmiselt on ainult murdosa vedeliku molekulidest piisavalt soojusenergiaga, et väljuda vedelikust. Aurustumise protsess on vastupidine protsess kondenseerimisele (üleminek aurustunud olekust vedelasse olekusse). Aurustumine jätkub seni, kuni saavutatakse tasakaal, mille käigus vedeliku aurustumine võrdub selle kondenseerumisega. Suletud ruumis aurustub vedelik seni, kuni ümbritsev õhk muutub küllastunud.
Keemias nimetatakse aurumist tavaliselt lenduvuseks. Aurumisseadus väitab, et aurumine vedeliku vabalt pinnalt toimub kiirusega, mis on võrdeline aurumispinnaga ning küllastunud auru rõhu ja ümbritsevas gaasis tegelikult leiduva auru osarõhu vahega.
Paljudel juhtudel mõistetakse aurumise all vedela vee muutumist gaasiliseks veeks.
Üldine iseloomustus
muudaTaldrikusse jäänud vedelik aurustub täielikult, sest igal ajal on molekulid piisavalt kiired (piisava kineetilise energiaga), et ületada vedelikupinna molekulidevahelised tõmbejõud ja lahkuda sealt. Aurustuva vedeliku temperatuur peab vähenema, kuna sellest lahkuvad molekulid võtavad vastu kineetilist energiat. Temperatuuri kasvades suureneb aurustumise kiirus.
Aurustumisega kaasneb vastupidine protsess - aurude kondenseerumine. Kui vedeliku pinna kohal olev aur on küllastunud, siis tekib protsesside vahel dünaamiline tasakaal, mille puhul vedelikust väljuvate molekulide arv ajaühiku kohta on võrdne sinna tagasipöörduva molekulide arvuga. Kui vedeliku kohal olev aur on küllastumata, jätkub aurumine, kuni aur muutub küllastunuks või kuni vedelik on täiesti kuiv.
Aurustumisega kaasneb temperatuuri langus, kuna molekulid, mille energia on suurem kui keskmine energia, väljuvad vedelikust. Kvantitatiivselt iseloomustab aurustumise kalorimeetrikat aurustumise erisoojus.
Haihtumise kiiruse suurenemist soodustab tuul. See eemaldab aurumolekule vedeliku pinnalt, takistades dünaamilist tasakaalu. Soojad õhuvoolud kasutavad vedelike kiireks aurustumiseks ja sellega kaasnevaks kuivamiseks. Kasutamise näide on kodumajapidamises kasutatav föön.
Aurustumise kiirus määratakse vedelikupinna ühiku kohta gaasifaasi tungiva auruvoo pinna tihedusega ajaühiku kohta. Auruvoo pinna tiheduse suurim väärtus saavutatakse vaakumis. Kui vedeliku kohal on suhteliselt tihe gaasikeskkond, aeglustub aurustumine.
Tahke aine aurustumist nimetatakse sublimatsiooniks ja vedeliku mahus ja vabal pinnal tekkivat auru nimetatakse keemiseks. Aurustumine on endotermiline protsess, mille käigus neeldub faasisiirde soojus - aurustumise soojus, mis kulub vedela faasi molekulaarse sidususe jõudude ületamiseks ja paisumistööks vedeliku muutumisel auruks.
Aurustumisprotsess sõltub molekulide soojusliikumise intensiivsusest: mida kiiremini molekulid liiguvad, seda kiiremini toimub aurustumine. Lisaks sellele mõjutavad aurustumist välise (aine suhtes) difusiooni kiirus ja aine enda omadused: näiteks alkoholid aurustuvad kiiremini kui vesi. Oluline tegur on ka vedeliku pindala, millest aurustumine toimub: kitsast klaasist aurustumine on aeglasem kui laialt plaadilt.
Ajalugu
muudaAurustumise nähtus on tuntud juba ammustest aegadest. Hesiodos kirjutas, et vihm moodustub jõgedest väljuvast veest[3]. Hilisemad autorid tõlgendasid pilvi õigesti kui vee aurustumise tulemust meredest ja osutasid aurustumise põhjuseks päikese ning juhtisid tähelepanu ka sellele, et tuul kiirendab aurustumise kiirust. Herakleitos ja Diogenes Laertios eristasid vee pinnalt ja märgade kehade pinnalt kiirgavat aurustumist[3]. Antiikfilosoofid kasutasid füüsikalisi protsesse seletades sageli spiritistlikke mõisteid, näiteks kirjutasid nad, et aurustumise kaudu moodustub kogu maailma hing. Samuti oli teada, et aurustumine jätab endast lahustunud soola maha[3].
Aristotelest peetakse kõige mõjukamaks antiikfilosoofiks. Oma teoses "Meteoroloogia" (kreeka keeles Τα μετεωρολογικά) arendas ta edasi Herakleitose teooriat kahest aurust ja väitis, et aurumine merepinnalt ja maapinnalt on põhimõtteliselt erinev: esimene on vihma ja teine tuule põhjus. See üllatav järeldus tulenes sellest, et Aristoteles ei uskunud, et tuul on lihtsalt õhu liikumine. Ta kirjutas, et nii nagu mingit liikuvat vett ei nimetata jõeks, ei ole ka tuul pelgalt õhu liikumine. Nii jõel kui ka tuules peab olema leke, ja tuule puhul pidas ta selliseks lekkejõuks "suitsu", mis tekib, kui maa kuivab.
Teisest küljest oli Aristotelese järglane Theophrastos oma hinnangus tuule, päikese ja aurustumise vahelisele suhtele õigem. Nii oletas ta õigesti, et tuul kiirendab aurustumist, sest ta eemaldab veest juba tekkinud auru. Samuti ei toetanud ta Aristotelese seisukohti maa aurustumise erilise tähtsuse kohta ja kirjutas, et "õhu liikumine on tuul"[3].
Rooma autorid, nagu Plinius ja Lucretius, kirjutasid samuti aurumise olemusest ja selle seosest ilmastikuga, kuid enamasti vaid arendasid kreeka filosoofide teooriaid edasi. Lisaks ilmastiku seletamisele pöördusid kreeka ja rooma teadlased aurustumise poole ka teise probleemi selgitamiseks - miks mered ei voola üle, kuigi jõed valavad neisse pidevalt vett.
Aristotelese autoriteedile tuginedes domineeris kahekordse aurustumise teooria Euroopa teaduses kuni renessansi alguseni[16]. Üks esimesi teadlasi, kes püüdis seda ümber lükata, oli René Descartes. Oma teoses "Meteora" (1637) kirjutas ta, et päikesevalgus tõstab veeosakesi sarnaselt sellega, kuidas tolm tõuseb kõndides. Samamoodi vaatles ta ka aurustumist märgade kehade pinnalt, sest ta uskus, et tahked kehad muutuvad märjaks, kui veeosakesed tungivad tahke keha suuremate osakeste vahele. Descartes eitas ka tuule erilist olemust ja pidas seda õhu tavaliseks liikumiseks. Põhjust, miks vedelikud aurustuvad ja tahked ained mitte, nägi ta veeosakeste siledamas pinnas, mis muudab nad kergesti üksteisest eralduvaks, samas kui tahkete ainete osakesed kleepuvad üksteise külge tugevamini.
Esimese eksperimentaalse uurimuse aurustumise kohta tegi Pierre Perrault. Külmal talvel 1669-1670 pani ta 7 naela külma vett õue. Pärast 18 päeva möödumist registreeris ta, et üks nael oli aurustunud. See ei olnud esimene tähelepanek, et aurustumine võib toimuda ka külmas, kuid see oli esimene eksperimentaalne mõõtmine protsessi intensiivsuse kohta. Perrault uuris ka muude vedelike kui vee, näiteks õli aurustumist. Teine füüsik, kes uuris aurustumist, oli Edmond Halley. Ta mõõtis vee väljumise kiirust õhukestest torudest. Tema tulemused (0,1 tolli 12 tunni jooksul) võimaldasid tal väita, et see vesi moodustab vihma, kaste jne[3] Halley hüpoteesid aurustumise mehhanismi kohta erinesid Descartes'i omadest. Näiteks kirjutas ta, et kui vee aatomite läbimõõt suureneks 10 korda, muutuks nende tihedus väiksemaks kui õhu oma ja nad hakkaksid "hõljuma". Samuti võrdles ta vee õhku aurustumise protsesse soolade vees lahustumise protsessiga. Halley kirjutas, et aurustumise põhjuseks on päikese ja tuule kombineeritud tegevus.
Halley ja Descartes'i lähenemisviisid andsid alust kahe populaarse lähenemise aurustumise seletamiseks. Ühe kohaselt oli vesi "lahustunud" õhus (mis tähendas, et õhu puudumisel ei toimuks aurustumist), teise kohaselt eraldusid veeosakesed lihtsalt lahtisest massist.
Prantsuse matemaatik Sediliou tegi palju eksperimentaalseid uuringuid aurustumise kohta, sest tal oli neid andmeid vaja ühe inseneriprobleemi lahendamiseks - ta pidi arvutama, kui kiiresti vesi Versailles' purskkaevudest aurustub. Ta tegi katseid 3 aasta jooksul, aastatel 1688-1690. Tema mõõtmiste kohaselt aurustub seal aastas umbes 88 sentimeetrit vett ja ainult umbes kaks kolmandikku sellest kogusest tuleb tagasi sademetena. Ta täheldas ka, et vesi aurustub laiemast anumast kiiremini kui kitsast (Sedili kasutas katses mitu vasest anumat).
1744. aastal oletas Desaguliers, et aurustumine on oma olemuselt elektrostaatiline (vedeliku osakesed tõrjutakse lahtiselt, sest neil on sama laeng), kuid katsed ei näidanud elektrienergia tugevat mõju.
18. sajandi teisel poolel näidati, et aurustumine vaakumis on aeglasem kui õhus ja et õhuniiskus vähendab aurustumise intensiivsust, mis suurendas lahustumisteooria populaarsust.
1757. aastal kirjeldas Franklin aurustumise jahutavat mõju (ta märkis, et alkoholiga niisutatud termomeeter näitas 6 kraadi madalamat temperatuuri kui kuiv termomeeter).
1802. aastal kirjutas John Dalton esimesena üles võrrandi, mis võimaldas arvutada, kui palju vett mingi aja jooksul pinnalt aurustub.
1862. aastal konstrueeris Thomas Tate aurumõõtja (kreeka keeles evaporameter) aurustumise kiiruse mõõtmiseks ja näitas, et see on proportsionaalne tuule kiirusega vee kohal. Hiljem parandas Wilenmann[en] Daltoni võrrandit, et võtta arvesse asjaolu, et vee temperatuur on madalam kui ümbritseva õhu temperatuur, sest aurustumine jahutab seda.
Veelgi täpsemad võrrandid kirjutati üles pärast Stephani (1873), Hertzi (1882) ja Knudseni (1915)[4] suure täpsusega eksperimente ning Stephan-Boltzmanni seaduse avastamist.
Koguaurumine
muudaKoguaurumine - aurumine maapinnalt, sealhulgas taimede transpiratsioon. Viimasel ajal kasutatakse aurustumise kohta terminit "evapotranspiratsioon". Evapotranspiratsiooni väljendatakse veesamba millimeetrites ja see korreleerub ökosüsteemide bioproduktiivsusega. Potentsiaalne evapotranspiratsioon on veekogus, mis võib teatud temperatuuri ja niiskusrežiimi korral ülemäärase veekoguse korral evapotranspiratsiooni teel vabaneda. Tegelik evapotranspiratsioon on vee mass, mille taimed antud kohas atmosfääri tagasi saadavad. Seda käsitletakse sademete kogusele vastupidise väärtusena (tavaliselt väiksem kui potentsiaalne evapotranspiratsioon). Tegelik evapotranspiratsioon maakera igas punktis määratakse temperatuuri järgi.
Aurustumisel on veel üks omadus - aurustumine (evapotranspiratsioon). Evapotranspiratsiooni all mõistetakse potentsiaalselt võimalikku (mitte veevarude poolt piiratud) aurustumist antud piirkonnas olemasolevates ilmastikutingimustes.
Vee aurustumise kiirus
muudaVee aurustumine 1 m²-lt (kg/h) sõltuvalt vee temperatuurist ja keskkonnatingimustest.
| Vee temperatuur (°C) | Rahulik õhk | Keskmine õhu liikumine | Tugev õhu väljatõmme |
|---|---|---|---|
| 15 | 0,425 | 0,546 | 0,607 |
| 30 | 1,056 | 1,365 | 1,664 |
| 50 | 3,081 | 3,955 | 4,853 |
| 75 | 9,666 | 12,405 | 15,597 |
| 100 | 25,463 | 32,077 | 40,105 |
Vaata ka
muudaViited:
muuda- ↑ The New Student's Reference Work (1914). — 1914. — P. 636. Allikas. Viimati muudetud: 30 juuni 2022. Arhiveeritud 9 dets 2021.
- ↑ Lohner, Science Buddies, Svenja. "Chilling Science: Evaporative Cooling with Liquids". Scientific American (ing.). Arhiveeritud 24 märts 2022. Pöördumise kuupäev: 23 jaanuar 2018.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Wilfried Brutsaert. Evaporation into the Atmosphere. Theory, History, and Applications. — Dordrecht: Springer, 1982. — 302 lk.
- ↑ Aurumise mehhanism Arhiveeritud koopia 19. juulist 2018 Wayback Machine'is (vene keeles).