Miként változik meg az energiája a párolgó folyadéknak/a párolgó folyadék környezetének?

A folyadékban molekulák mozognak. Nem azonos a sebességük, vannak köztük gyorsabbak is, lassabbak is. A molekulák ütköznek egymással, és mivel közel is vannak egymáshoz, talán egyéb módon is hatnak egymásra. Így a különböző molekulák sebessége állandóan változik: aszerint, ahogy ütköznek, vagy hogy egymás közelébe kerülnek, úgy részben kicserélődik a sebességük: irányt változtatnak, egyesek sebességet nyernek mások rovására, azok meg sebességet veszítenek mások előnyére.

A molekulák nemcsak sebességüket, hanem mozgási energiájukat is kicserélik egymás között. A mozgási energia nem egyszerű fogalom, és nem pont arányos a sebességgel, de itt elég annyi tudni róla, hogy a gyorsabb és nehezebb molekula mozgási energiája nagyobb, mint kisebb vagy könnyebb társaié. Ahogy a hétköznapi életben is: a gyorsabb autó nagyobb balesetet / rombolást okoz ütközéskor, mint a lassú, és a nehéz mozdony is nagyobbat rombol, mint a kerékpár (még ha véletlenül épp ugyanolyan gyorsak is).

A molekulák serege egy hatalmas, állandóan nyüzsgő ,,piactér'', ahol a ,,pénz'' szerepét a részben a sebesség, részben az energia tölti. A molekulák állandóan ,,csereberélik'' egymás között a sebességüket. Az egymással éppen kölcsönható (pl. ütköző) molekulák közül a ,,szerencsések'' a többiek rovására gyorsulnak, de a következő ütközésnél már ők lehetnek a ,,balekok''. A ,,piactéren'' forgalomban lévő ,,összpénz''-mennyisége nem változik.

Most a sebesség helyett koncentráljunk a mozgási energiára, mert a hőmérséklet szempontjából ez az érdekesebb itt. Ha minden egyes molekula ,,pénzét'' (mozgási energiáját) összeírnám egy listára, és a ezeket az adatokat összeadnám, akkor azt látnám, hogy ,,piactérnek'' ez az ,,összvagyona'' nem változik. A piacon minden pillanatban lesznek mozgási energiában ,,szegény'' molekulák is, ,,gazdag'' molekulák is, de magán a piac egészén mindig ugyanaz a pénzmennyiség forog. Vagyis: a folyadék egészének hőenergiája nem változik (ha termoszban van, és be van dugaszolva)

Ha egyetlenegy molekula sorsát, életútját figyelném végig, akkor azt látnám, hogy a molekula hol ,,szerencsés'', hol ,,balek'': egyes ütközéssorozatok során lehet ,,szerencsés napja*'', ,,zöld hulláma'', és nagyon nagy mozgási energiára is szert tehet molekulatársai többségéhez képest. És lehet ,,rossz napja*'', ,,pechsorozata'' is, sőt, pillanatokra az is előfordulhat hogy szinte mozdulatlanul áll.

Azonban, ha sokáig figyelem a molekula életútját, rossz pillanatai, jó pillanatait, és (mozgási energiában értett) ,,vagyoni helyzetét'' rendre feljegyezném minden pillanatban, és ezt valahogy átlagolnám, akkor azt venném észre, hogy értelmes dolog valamiféle ,,átlagos vagyon''-ról beszélni. Hogy az mennyi, ez nem függ magától a molekulától, mert bármely más molekula átlagos vagyona is ugyanennyinek jön ki. Ilyen értelemben a molekulák piaca nem ismer kiváltságosokat, sem jogfosztottakat: bár minden pillanatban vannak szegények és gazdagok, de a szerencse, a pillanatnyi vagyoni helyzet mindenkinél pillanatról pillanatra változik, és mindenkinek az átlagos helyzete ugyanolyan, ha az egész életére átlagolnánk.

Ez a bizonyos, hosszú időn keresztül átlagolt átlagvagyon tehát minden molekulára azonos. Tehát ez nem az egyes molekulán múlik, hanem a konkrét piacra jellemző (magára a teljes folyadékra). Ezt a jelenséget a hétköznapi életben mint hőmérsékletet érzékeljük.**

Mindez persze akkor igaz, ha a piac zárt tér (a folyadék termoszban van, és be van dugaszolva). Azonban ahogy a hétköznapi piac sem zárt, így a molekulák piaca sem. Nyissuk ki a termoszt, engedjük párologni a folyadékot!

Párolgáskor megszűnik az előbb emlegetett teljes igazságosság. Azok a molekulák, amelyek különösen nagy sebességre tesznek szert, elhagyják a folyadékot, és gázként a szabad térbe repülnek (értsd: kivándorolnak az adóparadicsomba). Mivel a gyorsabb molekulák (azonos tömeg esetén) nagyobb mozgási energiájúak is, ezért a párolgáskor éppen a ,,leggazdagabb'' molekulák távoznak el, vagyis az ő vagyonuk többé ,,nem forgatható vissza'' a közösségbe. Ezáltal a piacon fokozatosan feldúsulnak a balekok, épp azért, mert a szerencsések egy része rendre megszökik. A párolgó folyadék gyors molekulái páraként a szabad térbe távoznak, és ami folyadékként még ott van, annak molekulái között a lassú, kis mozgási energiájú molekulák fokozatosan többségbe kerülnek, egyszerűen a maradékelv alapján.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

* A ,,nap'' szót persze nem szabad szó szerint érteni, a másodperc nagyon pici törtrészeiről van szó

** A szabadsági fok fogalmával kapcsolatos részleteit nem tárgyalom, mert a kérdés szempontjából nem annyira áll előtérben. A szabadsági fok fogalma inkább pl. akkor kerül előtérbe, amikor meg kell magyarázni, hogy miért hűl le a lassan kifeszített, majd hirtelen elengedett gumiszál.

[link]

,,ahol a pénz szerepét a részben a sebesség, részben az energia tölti be'': itt inkább a mozgási energiát érdemes tekinteni. A sebesség kapcsán (azonos tömegű molekulák feltételezésével) az impulzus megmaradására gondoltam, de a kérdés szempontjából a mozgási energiát érdemes fókuszba állítani.

Mozgó képet is kerestem, de egyelőre nem találtam meg, amire gondoltam. Addig is:

[link]

ez ugyan a párolgást nem mutatja be, de a molekulák ,,nyüzsgő piacterét'' igen, és így már szemléletesebbé válnak azok a fogalmak, hogy össz- mozgási energia, átlagos mozgási energia. Érdemes szemmel végigkövetni egy konrét, kiszemelt molekula teljes életútját, szerencsés és peches pillanatait.

A ,,piactér'' közösségét elhagyó, adóparadicsomba szökő ,,gazdagok'' a szökés alkalmával szerintem vesztenek a sebességükből. Azért gondolom ezt, mert szerintem a gázban szabadon mozgó, környezete által nem befolyásolt molekula helyzeti energiaszintje magasabbnak tekinthető, mint a folyadékban ,,bennfogott'' molekuláé. Az utóbbi szerintem egyfajta kötési ,,potenciálkútban'' van: egy folyadékcsepp molekuláinak teljes szétszóratása a végtelenbe szerintem energiát igényelne):

[link]

Mindenesetre ha ez tényleg így van, akkor ezt az helyzeti energiaszint-,,különbözetet'' a távozó molekula kilépéskor szerintem éppen a sebessége rovására ,,fizeti be''.

Mindenesetre mindez nem módosít azon az alaptényen, hogy (mindettől függetlenül) a folyadékban egyre inkább a ,,balekok'' maradnak vissza, arányuk viszonylagos feldúsulását pedig mi a folyadék lehűléseként érzékeljük.

Szívesen, és én is köszönöm az érdekes témát. Engem fél éve kezdett hirtelen érdekelni ugyanez a kérdés, vagyis hogy ,,igaziból'' tulajdonképpen miért is hűl le a párolgó folyadék.

A másik, ami érdekelt: miért hűl le a kitáguló gáz. A dolog oka mindig valami (akár esetleges) hőerőgéppel szemben végzett munka, vagy legalább a KÜLSŐ LÉGNYOMÁS ELLENÉBEN végzett munka.

Ha egy távolodó vonat hátuljához labdát dobok, akkor a labda jóval kisebb sebességgel fog visszapattanni. Ha közeledő vonat elejének dobom a labdát, akkor a labda jóval nagyobb sebességgel fog visszapattanni. Lényegében ugyanez a jelenség történik akkor is, amikor egy edénybe zárt gázt dugattyúval befelé nyomok, vagy kijjebb eresztek. A dugattyú falának ütküző gázmolekulák, a dugattyú közeledésétől, vagy távolodásától függően pattanak vissza rendre nagyobb, vagy kisebb sebességgel.

A dugattyú szerepét a külső (nálunk 1 atmoszférás) légnyomás is eljátszhatja:

[link]

Ha sem dugattyú, sem a külső légnyomás nem játssza el a közeledő-távolodó vonat labdapattintó szerepét, akkor a gáz hőmérséklete nem változik. Ezért van az, hogy az űrben (vákuumban) szabadon kiengedett gáz nem hűlne le:

[link]

[link]

Szóval érdekes és meglepő a termodinamika világa.