Verdamping

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Verdamping van water

Verdamping (evaporatie) is in de natuurkunde de faseovergang van vloeistofmoleculen aan een oppervlak naar de gasfase.

Deeltjesbenadering[bewerken]

De deeltjes waaruit een vloeistof bestaat zijn voortdurend in beweging (de zogenaamde Brownse beweging: de deeltjes botsen steeds met elkaar waardoor elk deeltje steeds verandert van richting en snelheid).

De deeltjes in een vloeistof kunnen atomen, ionen of moleculen zijn. Water bestaat uit H2O moleculen, Kwik bestaat uit kwik-atomen. In een vloeistof kunnen stoffen opgelost zijn die uiteenvallen in losse ionen. Deze ionen vormen complexen in de oplossing, omdat ze omgeven worden door een mantel van vloeistofmoleculen. De deeltjes worden bij elkaar gehouden door onderlinge aantrekkingskrachten, alle afgeleide elektrische krachten, zoals de vanderwaalskracht, of krachten tussen dipolen, of tussen de ionen in een vloeistof. De deeltjes bewegen niet allemaal even snel, en de snelst bewegende deeltjes kunnen aan het oppervlak van de vloeistof ontsnappen, ofwel verdampen.[1][2]

Dampen en gassen[bewerken]

Bij temperaturen en drukken waar zowel de gasfase als de vloeistoffase mogelijk zijn, wordt gesproken van een damp in plaats van een gas. Dit is bijvoorbeeld het geval bij water en kwik bij kamertemperatuur. Boven de kritische temperatuur spreekt men van een gas. Dampen bevinden zich onder de kritische temperatuur en kan men vloeibaar maken door samenpersen. Voor gassen is dat niet het geval: die moeten eerst afgekoeld worden tot onder de kritische temperatuur. Voor water is de kritische temperatuur 374 °C. Voor stikstof (N2) is de kritische temperatuur -147 °C. Stikstof bij kamertemperatuur is een gas.

Dampdruk[bewerken]

De verdamping van een vloeistof is afhankelijk van de temperatuur. De snelste moleculen bij een gegeven temperatuur kunnen ontsnappen aan het vloeistofoppervlak. Aangezien er ook moleculen aanwezig zijn in de ruimte boven de vloeistof zullen er ook moleculen weer terugvallen in de vloeistof. Deze terugstroom is dus afhankelijk van het aantal deeltjes in de dampfase vlak boven de vloeistof.Dit wordt de dampdruk genoemd. Als de beide deeltjesstromen in evenwicht zijn is er sprake van 100% verzadiging, deze is ook afhankelijk van de temperatuur. Op het moment dat er netto verdamping is, dan is de verzadiging minder dan dit percentage. Bij de verdamping van water naar lucht wordt deze mate van verzadiging uitgedrukt als luchtvochtigheid. Als door het afnemen van de temperatuur de luchtvochtigheid meer dan honderd procent wordt begint de damp te condenseren, zoals de waterdamp boven de pan in de foto. Ook wolken ontstaan op deze manier in uitzettende en daardoor afkoelende lucht.

Verdamping van water[bewerken]

Verdamping van water wordt ook wel evaporatie genoemd. Dit treedt op bij planten, wateroppervlakken en grond. Het neerslagoverschot is het verschil tussen de evaporatie en de neerslag en bepaalt hoe droog een klimaat is.

Verdampingswarmte en condensatiewarmte[bewerken]

Bij deze verdamping daalt de temperatuur, iets dat goed te voelen is als men blaast op wat aceton die men in de hand houdt, of op een bezweet stukje van de huid. De temperatuur is een maat van de gemiddelde snelheid van de vloeistofmoleculen, dus door het ontsnappen van de snelste moleculen zal de temperatuur van de vloeistof lager zijn.

Thermodynamica[bewerken]

Er is een formule om de condensatiewarmte te bepalen bij het kookpunt (De verdampingswarmte is een negatieve grootheid en de grootte is gelijk aan de condensatiewarmte.) De condensatiewarmte is niet erg afhankelijk van de temperatuur en kan daarom ook bij lagere of hogere temperaturen gebruikt worden:

(Tb), ΔvG = 0, waardoor:

\Delta\,_v S = S_{gas} - S_{vloeistof} = \Delta\,_v H/T_b

S is de entropie, een maat voor de wanorde van de moleculen in een gas, dan wel vloeistof. H is de energieinhoud bij constante druk(de afname van H is de condensatiewarmte). TB is de temperatuur bij het kookpunt in Kelvin

In een vloeistof is de entropie lager dan in een gas. Door de structuur van water zijn de moleculen ook in de vloeistoffase nog sterk geordend, daardoor heeft water een opvallend hoge verdampingswarmte. Het kost 5 keer zoveel energie om water te verdampen, dan dat het kost om het water van 0 °C tot 100 °C te verwarmen. De verdamping van water is dan ook een zeer efficiënt koelmiddel, gebruikt in airconditioning en bij de regeling van de lichaamstemperatuur van zoogdieren en vogels. De verdampingswarmte wordt ook gebruikt voor koeltechniek, maar dan is het nodig om een stof te gebruiken die nog een aanzienlijke dampdruk heeft bij lage temperaturen (Ammoniak, Freon).

Volumetoename[bewerken]

Het volume van de verdampte stof is grofweg afhankelijk van het aantal deeltjes, zonder dat de grootte of massa van deze deeltjes van belang is. 1 kg water neemt in de vloeistoffase ongeveer 1 dm³ in. Het aantal deeltjes is uit te rekenen met de molecuulmassa (18) en het getal van Avogrado (N) (6 * 1023) dat het aantal deeltjes van 1 mol bevat - een hoeveelheid stof gelijk aan de molecuulmassa in grammen. 1 mol water heeft daarmee een massa van 18 gram.

De gekozen 1 kg water bevat daarmee 1000 gram/18 gram = 55,5 mol water. Als een vuistregel nemen N moleculen (die tezamen 1 mol vormen) een volume van 22,4 liter (=22,4 dm³) in bij atmosferische druk (ideale gaswet). Het uiteindelijke volume is dus 22,4 * 55,5 = 1243 dm³. De afstanden tussen de moleculen dus zijn iets meer dan tien keer zo groot geworden en het volume neemt meer dan duizendvoudig toe.[3]

Als de verdamping plaatsvindt in atmosferische lucht, dan kan ook berekend worden hoeveel droge lucht nodig is om dit volume aan water te bevatten. Bij 20 °C is het aandeel water slechts 2,4 % van het totale luchtvolume. Door de hoge condensatiewarmte neemt de hoeveelheid water die in de gasfase is bij evenwicht snel toe met de temperatuur volgens de Clausius-Clapeyronvergelijking.

Water vapor pressure graph.jpg
Temperatuur (°C) Verzadigingsdruk (millibar)[4]
-18 1,5
-15 1,9
-12 2,4
-9 3,0
-7 3,7
-4 4,6
2 6,9
4 8,4
7 10,3
10 12,3
13 14,8
16 17,7
18 21,0
21 25,0
24 29,6
27 35,0
29 41,0
32 48,1
35 56,2
38 65,6
41 76,2
43 87,8
46 101,4
49 116,8
52 134,2

Invloed van wind[bewerken]

Voortbordurend op het eerdere rekenvoorbeeld zien we dat om een liter water op te nemen 1243 liter waterdamp wordt gevormd. Er is dus 1243/0,024 = 51 kubieke meter droge lucht nodig om dit volume water op te nemen. De luchtverversing is dus zeer belangrijk voor een snelle verdamping. Zonder wind vormt zich al snel een verzadigde laag lucht boven het water en blijft de verdamping beperkt. De bovenstaande tabel laat ook zien hoe belangrijk de invloed van de temperatuur is. Merk op dat de dampdruk bij 50 °C nog maar zo een 12 % is van de dampdruk bij 100 °C. Daarom verwarmen wasdrogers de lucht sterk voor.

Sublimatie[bewerken]

Als moleculen of atomen in een vaste stof overgaan naar de gasfase dan noemt men dit sublimeren. Dit komt voor als het heeft gesneeuwd en de sneeuw wordt opgenomen in de droge lucht zonder dat ze eerst smelt. Behalve de naam is er echter geen fundamenteel verschil tussen verdamping en sublimatie. Het omgekeerde van sublimatie is desublimatie (bv vorming van sneeuw of sommige vormen van rijp).

Relevante factoren voor de verdamping[bewerken]

  • Concentratie van de stof in de gasfase

Als er al veel van een stof in de gasfase aanwezig is dan zal minder netto verdamping optreden

  • Concentratie van andere stoffen in de gasfase

De aanwezigheid van andere stoffen in de gasfase kan de capaciteit ook doen afnemen

  • Als er andere substanties in de vloeistoffase zijn dan neemt de verdamping af
  • Luchtstroming, de luchtstroming is van belang voor het concentratieverschil, ook de oppervlakte van het oppervlak kan wat toenemen door golven.
  • Intermoleculaire krachten

Hoe groter de krachten tussen de deeltjes in de vloeistoffase, hoe meer energie er moet worden geleverd voor verdamping.

  • Luchtdruk

In een lagedrukgebied is er wat meer verdamping omdat water makkelijker kan ontsnappen aan het oppervlak

  • Oppervlak

Hoe groter het oppervlak, hoe groter de verdamping.

  • Temperatuur

Hoe hoger de temperatuur, hoe meer verdamping.

Hoe hoger de dichtheid van de vloeistof, hoe geringer de verdamping.

Figuurlijke betekenis[bewerken]

In het Nederlands wordt verdampen veelvuldig figuurlijk gebruikt om aan te geven dat iets verdwenen is, met name bij kapitaal.

Referenties en voetnoten[bewerken]

  1. Tussen het vloeistofoppervlak en de gasfase is er nog de Knudsenlaag, waarin de deeltjes noch in de gasfase noch in de vloeistoffase zijn.
  2. Ionen en ionenclusters kunnen slechts aan de vloeistof ontsnappen als er een sterk elektrisch veld wordt toegepast.
  3. Dit is slechts een rekenvoorbeeld, om de groottteorde aan te duiden. Bij de kritische temperatuur zijn de vibraties van de watermoleculen zo sterk dat er geen onderscheid meer is met de gasfase. Water is geen ideaal gas en verder zijn de constantes en molecuulmassa's afgerond
  4. http://www.engineeringtoolbox.com/relative-humidity-air-d_687.html