VEDELIKUD

Aine läheb vedelasse faasi kui molekulide soojusliikumise kineetiline energia RT on väiksem molekulidevaheliste tõmbejõudude poolt põhjustatud seoste energiast. Vedelikes molekulid asetsevad ligistikku, kuid translatoorne liikumine on siiski võimalik, ilmselt sidemete ebapüsiva iseloomu tõttu, mis võimaldab molekulil osa aega vabalt uidata. Tekivad ka omavahel seotud molekulide suuremad rühmad, doomenid, mis liiguvad teiste samasuguste suhtes. Kuna vedelikus molekule seovad Van der Waalsi jõud ja soojusliikumine püüab neid sidemeid lõhkuda, siis molekulide translatoorse liikumisega seotud nähtused, nagu difusioon ja viskoossus, temperatuurigaseotud nagu keemilised reaktsioonidki: neis nähtustes osalevad ainult suurema energiaga molekulid. Näiteks difusioonikonstant

Vedeliku eriomaduseks gaasiga võrreldes on pind. Pinnalähedased molekulid on erilises seisundis, sest neile mõjuvad tõmbejõud neljast küljest ja sissepoole, kuid mitte väljapoole. Selle tulemusena tekib resultatiivne sissepoole tõmbav jõud, mis seob pinnalähedased molekulid järgmise kihiga ja ei lase neil ruumi laiali lennata. Pinnalähedased molekulid moodustavad nagu kile, mis püüab kokku tõmbuda ja omandada nii väikese pindala kui võimalik.

Pindpinevus

Pinna püüe kokku tõmbuda on saanud nimeks vedeliku pindpinevus. Pindpinevuse tulemusena püüab vabalt ruumis hõljuv vedelikutilk võtta kera kuju, sest keral on kõige väiksem pinna-ruumi suhe. Pindpinevust  iseloomustatakse tõmbejõuga pinna pikkusühiku kohta, nii et piinajoonele mõjuv jõud

Pindpinevustegurit saab määrata näiteks katsest, mis on kujutatud Joonisel. Siin kaks pinda (ülemine ja alumine) püüavad liikuvat raami tõmmata jõuga, mis on võrdeline liikuva osa pikkusega. Kaudsemalt, kuid täpsemalt saab pindpinevust mäarata näiteks tilga suuruse või kapillaartõusu kaudu. Pindpinevus põhjustabki tilkade, mullide ja vahu moodustumise. Mullide (näit. seebimullide) puhul on siiki veel oluline, et kilet moodustav vedelik oleks piisavalt viskoosne ja ei voolaks kiiresti pindadevahelt ära. See mäarab mulli eluea. Puhta vee pindpinevus on 75 dn cm^-1 = 0.075 N m^-1, seebiveel on see aga ainult 0.045 N m^-1. Temperatuuri tõustes pindpinevus väheneb ja teatud temperatuuril (nn. kriitilises punktis) jõuab nullini. See on seesama temperatuur, mille puhul gaasi kokkusurudes vedeliku pinda enam ei teki.

Kumera pinna all (näiteks muuli sees) tekib lisarõhk, kuna mulli pind püüab väheneda ja mulli kokku suruda. Selle lisarõhu suurus on

kus r on mulli raadius. Näiteks 1 mm raadiusega õhumullis on lisarõhk

,

1 m raadiusega mullis aga juba 150 kPa, seega üle kahekordse atmosfäärirõhu. Mulli tekkimine vedelikus on äärmiselt raske kui alustada tuleb nanomeetrilisest mõõdust, sest selleks oleks vaja enam kui tuhandekordset atmosfäärirõhku.

Kapillaarsus

Vedeliku pindpinevus on ka kapillaarsusnähtuse aluseks. Ainult et siin tulevad lisaks vedelikumolekulide omavahelistele tõmbejõududel arvesse ka Van der Waalsi tõmbejõud vedeliku ja seda ümbritseva tahke keha (näit. toru seina) vahel. Kui vedelikumolekulide omavaheline tõmme on tunduvalt tugevam kui vedeliku ja seina vahel, siis niisugune vedelik on seina suhtes mittemärgav. Vastupidi, kui vedelikumolekulide omavaheline tõmme on tunduvalt nõrgem kui vedeliku ja seina vahel, siis niisugune vedelik on seina suhtes märgav. Vahepealsed jõudude suhted tähendavad osalist märgamist või mittemärgamist.

Märgava vedeliku seinaäärsed molekulid liibuvad tugevasti seinale ja järgnevad molekulid liiguvad isegi seina mööda kõrgemale, möödudes eelmistest soojusliikumise tõttu. Niiviisi ‘ronib’ vedelik seina mööda üles ja tekib nõgus pind, nn. menisk. Täieliku märgamise korral on meniski ülaserva nurk väga terav, praktiliselt on vedeliku pind seinaga paralleelne. Selle juhu jaoks on kerge arvutada vedeliku kapillaartõusu kõrgust peentes torudes.

Olgu kapillaariraadius r, seega ümbermõõt 2r. Üles-suunatud kapillaarjõud on võrdne ümbermõõdu pikkuse ja pidpinevuskoefitsiendi korrutisega:

Vedelik tõuseb seni kuni kapillaarjõud ja veesamba raskus tasakaalustavad teineteist:

,

kus r on vedeliku tihedus ja h kapillaartõusu kõrgus. Sellest võrdusest avaldame h:

,

kus g on vedeliku ruumalaühiku kaal ehk erikaal. Kasutades vee jaoks =0.075 N m^-1 arvutame vee kapillaartõusu kõrguse hästimärgavates taimede juhtkimpudes sõltuvalt toru raadiusest:

r (m) h (m) vastava kõrgusega taimed

10^-4 0.152 heintaimed

10^-5 1.52 põõsad

10^-6 15.2 puud

Seega, kui veevarustus toimuks ainult kapillaarjõudude toimel, peaks puudel veejuhtetorude (ksüleemitorude) raadius olema alla 1 m. Maailma kõrgeimate puude, sekvoiade kõrgus on 100 m ringis ja neil peaks ksüleemi läbimõõt olema 0.1 m suurusjärgus. Tegelikult on ksüleemitorude raadius suurem, sest nii peente torude takistus oleks liiga suur, et vajalikus koguses vett juhtida (toru takistus viskoossele voolule suurenes pöördvõrdeliselt raadiuse neljanda astmega, seega oleks see sekvoial 100⁵ = 10⁷ korda suurem kui rohttaimedel (ühe toru kohta). Kuigi jämedama tüve tõttu on puudel rohkem juht-torusid kui roht-taimedel, on nede pikkus suurem ja takistus ikkagi liiga suur. Kõrgete puude veevarustuse juurde tuleme allpool tagasi.

Vedelike auramine

Vedeliku pinnamolekulid moodustavad nagu kile, mis katab allasuvaid molekule. Kõik molekulid, nii pinnal kui sügavuses, on aga soojusliikumises ja omavad Maxwelli kiiruste (Bolzmanni energiate) jaotust. Vastavalt sellele leidub ikka niisuguseid molekule, mille energia ületab molekulide omavahelise seose energia, ja mis seetõttu suudavad end pinnast välja rebida gaasilisse faasi. Nii toimub vedeliku auramine. Auramisel lahkuvad kiiremad ja jäävad vedelikku alles aeglasemad molekulid, mistõttu vdeliku temperatuur langeb.

Aurumissoojust L mõõdetakse soojushulgaga (energiaga), mida tuleb vedeliku massiühikule juurde anda, et see täielikult aurustada konstantsel temperatuuril. Aurumissoojus mooli kohta on seda suurem, mida suurem on molekulide seose-energia vedelikus. Näiteks vee aurumissoojus 100°C juures on ???? kJ mol, 20°C juures aga ???, mis väljendabki vee molekulidevaheliste sidemete energiat mooli kohta. Kõrgemal temperatuuril see kahaneb, sest intensiivsema soojusliikumise tõttu asuvad molekulid vedelikus keskmiselt üksteisest kaugemal (vedelik on paisunud).

Kui vett aurustada vaakumis, siis kõik väljunud molekulid lahkuvad jäädavalt ja vesi aurustub väga kiiresti. Õhus väljunud molekulid põrkuvad õhu molkulidega ja difundeeruvad veepinnast eemale suhteliselt aeglaselt, kusjuures osa neist pidevalt pöördub vette tagasi. Kui veepinna kohal on piiratud ruum, siis täitub see vee molekulidega õhu molekulide vahel kuni tasakaaluseisundini, mil vette tagasipöörduvate ja sealt väljuvate molekulide hulgad on võrdsed. Niisuguses olekus on õhk (gaas) veeauruga küllastatud, ja auru hulk gaasis enam ei suurene. Veeauru osahulka gaasis väljendatakse tavaliselt tema osarõhuga (partsiaalrõhuga), mis on veeauru molekulide poolt seinale avaldatav rõhk. Protsentuaalselt moodustab osarõhk samasuure osa kogurõhust nagu veauru molekulid moodustavad kogu molekulide arvust. Veeauru partsiaalrõhk kasvab temperatuuri tõustes, sest kiiremate molekulide arv, mis suudavad pinnast väljuda, suureneb. Teoreetiliselt peaks veeauru küllastav partsiaalrõhk väljenduma ka Bolzmanni faktori kaudu, kui molekulide suhte arv, mille energia ületab seoseenergia vees. Kuna aga viimane kahaneb temperatuuri tõustes, siis on aururõhu kasv temperatuuriga veidi kiirem kui Bolzmanni faktor. Praktilisek kasutamiseks sobib nn. Magnuse valem:

Siin valemis rõhk on väljendatud meteoroloogias kasutatavates millibaarides (mb), ühikutes milles nomaalrõhk on 1013 mb, seega 1 mb = 100 Pa. Temperatuur aga on antud juba Celsiuse kraadides ja e aste on asendatud kümne astmega. Näiteks, temperatuuril 20°C annab see valem küllastavaks veeauru rõhuks 23.36 mb, mis moodustab veidi üle 2% normaalrõhust. Seega, toatemperatuuril ei saa õhus olla rohkem kui 2.3% kogu molekulide arvust veeauru molekulid. Siis öeldakse, et suhteline niiskus on 100%, kui veeauru rõhk on küllastav. Suhtelise niiskuse protsent alla saja näitab, kuivõrd on tegelik õhu niiskus väiksem küllastavast sellel temperatuuril. Näiteks, suhteline niiskus R.H.=50% tähendab, et 20°C juures on õhus veeauru partsiaalrõhk 11.68 mb ja 1.15% molekulidest on veeauru molekulid. Seesama suhteline niiskus kõrgemal temperatuuril tähendab aga hoopis suuremat veeauru hulka, sest küllastav niiskus kasvab temperatuuriga ja suhteline niiskus antakse selle suhtes. Temperatuuril 100°C annab valem suhteliseks veeauru rõhuks 1041 mb, mis on võrdne atmosfäärirõhuga (väik erinevus 1013st tuleb valemi ligikaudsusest, teoreetiliselt peaks tulemus olema 1013 mb). See tähendab, et keemistemperatuuril saab küllastava veeauru rõhk võrdseks välisrõhuga. Keevas teekannus koosneb ‘õhk’ vee kohal 100% veeauru molekulidest.

Keemine on nähtus, mis on tingitud vee aurustumisest kõikjalt, nii pinnalt kui sisemusest, sest küllastava veeauru rõhk veidi ületab välisrõhku, vähemalt nii palju, et ka vedeliku poolt avaldadav rõhk ületada. Siiski, vee sisemuses aurumullide moodustumine nõuab tegelikult tunduvalt suuremat rõhku kui välisrõhk, sest moodustuva mulli raadius võib alguses olla väga väike ja mulli pinna poolt avaldatav lisarõhk olla kuni kahekordne atmosfäärirõhk (vt. eespool). Seetõttu on täiesti puhta vee keemaminek takistatud (aurumine toimub ainult pinnalt) isegi temperatuuri tõusul tunduvalt üle 100°C. Niisugust seisundit nimetatakse ülekuumendatud seisundiks. Tarvitseb vaid väikene tolmu või lisandiosakene vette sattuda, kui selle ümber silmapilkselt moodustub mull, mis paisub väga kiiresti ja võib vee nõust välja paisata. Seetõttu tuleb vee keetmiseks ikka lisada kolvi põhja mingeid kehi, mis tekitavad kunstlikke pindu, et neil saaksid mullid moodustuda. Ka vees lahustunud gaasid eralduvad temperatuuri tõustes mullidena ja moodustavad keemistsentreid.

Keemistemperatuur sõltub tugevasti välisrõhust. Mida madalam see on, seda madalamal temperatuuril saavutab veeauru küllastav rõhk välisrõhu väärtuse ja aurumine algab vee sees. Seetõttu kestab muna keetmine kõrgel mäe otsas kauem kui orus. Kui välisrõhk on 23 mb, siis algab keemine juba toatemperatuuril. Seda saab kergesti demonstreerida vaakumpumba kupli all või isegi täites süstla osaliselt veega ja siis kolbi kiiresti väljapoole tõmmates. Kui rõhk on madalam kui 23 mb võib isegi toatemperatuuril olev vesi olla ‘ülekuumennud’, kui keemine ei saa alata mullitsentrite puudumise tõttu. Niisugune olukord tekib näiteks kõrgete puude veejuhtesüsteemis.

Puude veevarustusest

Ülal märkisime, et kõrgete puude latvadeni ei saa vesi tõusta ainult kapillaarsuse teel, sest vastavad kapillaarid oleksid liiga peened ja omaksid liiga suurt takistust, et transpiratsiooniks vajalikku veehulka läbi lasta. Seetõttu mõnedel puudel täidetakse talve jooksul tühjunud juhetsüsteem kevadel juurte rõhuga, millel on osmoodne päritolu. See on mahlavoolamise aeg: tüvesse tehtud august voolab mahl välja, järelikult on tüves suurem rõhk kui väljas. Juurterõhu abil surutakse ksüleemitorud mahla täis kuni lehepungadeni. Varsti aga mahla voolamine lakkab, mis tähendab, et juurte osmoodne rõhk langeb ja ülesurve tüves kaob. August ei voola enam mahla. Vastavalt peaks tüve ksüleemitorud nüüd tühjenema. Lehtedes on aga torustik väga peen ja suudab kapillaarsuse abil hoida veesammast üleval ka mitmekümne meetri kõrgusel. Takistus ei ole siin probleemiks, sest iga üksiku lehe transpiratsioon on aeglane, kapillaaride ülipeen osa on aga suhteliselt lühike. Nii jääbki suhteliselt jämedate ksüleemitorude veesammas ‘rippuma’ lehtede peente kapillaaride külge. Loomulikult kujuneb niisuguses rippuvas veesambas alarõhk, venitus, mis peaks põhjustama aurumullide tekke samba sees ja seega samba katkemise. Ksüleemitorudes on aga vesi väga puhas ja ei sisalda mullitsentreid. Niisuguses ebastabiilses, ülekuumenenud seisundis (madala rõhu tõttu peaks keema, kuid tsentrite puudusel ei kee) ongi puude ksüleemitorud kogu suve. Kui mingil põhjusel veesammas mõnes ksüleemitorus siiski katkeb, siis see toru jäabki tühjaks ja ei täitu enne kui järgmisel kevadel mahlavoolamise ajal.