Kõik me oleme kunagi oodanud, et vesi kannus keema läheks. Teame, et temperatuuri tõusuga kaasneb kõigepealt kiirem aurustumine, molekulid hakkavad veepinnalt üha rohkem lahkuma. Muidugi aurustub veidike ka külm vesi – kuna molekulide soojusliikumise kiirused on erinevad, siis leidub alati osakesi, millel on juhuslikult piisavalt liikumisenergiat, et pinnakihist välja pääseda. Vee all, pinnast kaugemal võib samuti olla lahkumiseks piisavalt kiireid molekule. Kui neid on vähe, siis nad välja ei pääse, sest kaotavad aeglasemate molekulidega põrkudes kiiruse.

Aurustumisel pöördub osa molekule pidevalt õhust vette tagasi. Selle tulemusena on veepinna kohal õhk püsivalt niiske, st sisaldab veidi veeauru [bookx=1597](ptk Õhuniiskus)[/bookx]. Temperatuuri tõusuga saavad vee molekulid hoogu juurde ja hakkavad üha enam veepinnalt lahkuma. Kuid see pole veel keemine. Keemistemperatuuril on kiireid molekule juba nii palju, et intensiivne aurustumine algab kogu vedelikus, mitte ainult pinnal. Tekivad aurumullid, mis kiiresti pinnale tõusevad, vesi on keema läinud. Kuni vett kannus veel on, temperatuur ei tõuse, selles mõttes on keemine sarnane sulamisega (ptk Molekulid. Tahkis).

Mõnikord, kui puhast vett kuumutatakse väga ühtlaselt, ilma segamata (näiteks mikrolaineahjus), võib temperatuur tõusta veidi üle keemistemperatuuri ilma aurumullide tekkimiseta. Kui sellist ülekuumutatud vedelikku veidi liigutada, algab keemine väga äkki. Pliidil ülekuumutatud vett teha ei saa, sest alt soojendamine põhjustab konvektsiooni, segab vett pidevalt ja mullid hakkavad tasapisi tekkima nõu kuumal põhjal.

Vee keemistemperatuur valiti juba väga ammu meie igapäevaselt kasutatava praktilise temperatuuriskaala (Celsiuse skaala) üheks aluseks, kindlaks punktiks. Arvatavasti just seepärast teavad kõik, et vesi keeb 100°C juures. Tegelikult sõltub vee keemistemperatuur üsna palju välisrõhust. Keemisel tekivad mullid saavad „ennast täis puhuda” ainult siis, kui aururõhk ületab välisrõhu. Teekannus on väliseks veele mõjuvaks rõhuks õhurõhk. See on küll veidi muutuv, aga igapäevasel teekeetmisel ei pruugi keemistemperatuuri muutuse pärast muretseda.

Mägedes, kus õhurõhk on oluliselt väiksem, tuleb toiduvalmistamisel arvestada, et vesi keeb madalamal temperatuuril. 6000-meetristele mägedele tõustes peavad alpinistid laagris toitu valmistades arvestama umbes 80°C juures keeva veega. Tõsiasja, et puhta vee keemistemperatuur lahtises anumas on otseselt seotud õhurõhuga ning selle kaudu ka päris rahuldavalt kõrgusega merepinnast (ja ka sügavusega allpool merepinda), kasutasid vanasti maadeavastajad ja loodusuurijad kõrguse määramiseks.

Keemistemperatuur. Siiani on jutuks olnud ainult vee keemine. Sobivatel tingimustel keevad ja moodustavad seejuures auru kõik ained, kui nad just kuumutamisel ei lagune. Keemistemperatuur ja selle sõltuvus rõhust on aine olulised füüsikalised omadused. Keemistemperatuuri atmosfäärirõhul on lihtne määrata. Seda muidugi juhul, kui aine üldse atmosfäärirõhul vedelas olekus esineb [bookx=1599](ptk Molekulid. Tahkis)[/bookx]. Kui vedelik keeb, st aurumullid tekivad ühtlaselt kogu nõus ja termomeeter näitab püsivalt ühte temperatuuri, siis ongi tegemist keemistemperatuuriga. Sulamistemperatuuri määramine on selles mõttes keerulisem, et alati peab kasutama hästi väikest ainekogust [bookx=1595](ptk Molekulid. Tahkis)[/bookx].

Segude ja lahuste keemisel on olukord keerulisem. Lahuste keemistemperatuur on kõrgem kui puhtal lahustil. Selle põhjuseks on, et paljud lahustunud ained ei osale aurustumisel, ei lähe üle gaasilisse faasi (aurumullidesse). Lendumatu lahustunud aine aururõhku ei tekita. Keemiseks vajaliku välisrõhuga võrdse aururõhu saavutamiseks tuleb lahust kuumutada veidi kõrgemale temperatuurile. Lahuste keemistemperatuuri erinevus lahustite omast on huvitav nähtus. On selgunud, et keemistemperatuuri muutus sõltub ainult lahustunud osakeste kontsentratsioonist. Ei ole oluline, milline aine on lahustunud ja kas osakesed on ioonid, aatomid või molekulid.

Õhu komponentide mahuline vahekord on üsna püsiv. Kuiv õhk koosneb lämmastikust (78%), hapnikust (21%) ja veel umbes kümnest gaasist (kokku 1%). Selle viimase ühe protsendi hulgas on kõige rohkem argooni (0,93%), aga ka atmosfääri toimimise seisukohalt väga olulist süsinikdioksiidi ja metaani. Selline oleks kuiva atmosfääri koostis, aga meie igapäevane õhk sisaldab peale nimetatu alati veel väikeses koguses veeauru. Veeaur on ainus atmosfääri komponent, mille sisaldus õhus pidevalt muutub. Õhus olev veeauru kogus muutub nii ööpäeva jooksul kui ka aastaaegade lõikes. Muutused on tihedalt seotud temperatuuriga ja omavad suurt tähtsust kliima kujunemisel. Kogu atmosfäärist on mahuliselt umbes 0,4% veeaur. Maapinna lähedal on veeauru õhus tavaliselt 1-4%. Veeauru sisaldust õhus nimetatakse õhuniiskuseks.

Soojal suvepäeval (õhutemperatuur 25°C) võib ühes kuupmeetris õhus olla näiteks 15 g vett. Veeauru sisaldust õhus võib arvuliselt väljendada mitmel moel, massi, ruumala või rõhu kaudu. Kõige lihtsam ongi märkida ühes kuupmeetris õhus sisalduva vee mass. Seda nimetatakse absoluutseks õhuniiskuseks () või veeauru tiheduseks. Grammi kuupmeetri kohta ongi tiheduse ühik, õhu tihedus on näiteks 1,29 kg/m³ ehk 1290 g/m³.

Niisiis, kirjeldataval suvepäeval võib näiteks olla õhu absoluutne niiskus

Samadel tingimustel (õhurõhk ja temperatuur) võib absoluutne niiskus olla väiksem, aga ka veidi suurem, kuid üle 23g/m³ see olla ei saa, kui temperatuur ei tõuse. Kui õhk muutub näiteks veekogudest aurustumise tõttu järjest niiskemaks, siis ühel hetkel tekib küllastunud veeaur. Küllastus tähendab seda, et nii palju, kui molekule läheb üle gaasi faasi, läheb neid ka tagasi vedeliku faasi. Normaalsel atmosfäärirõhul 25°C juures ei saa veeauru tihedus olla suurem kui 23g/m³. Seda nimetatakse küllastunud veeauru tiheduseks (). Kui vesi veekogude pinnalt, vihmapiiskadelt või taimede lehtedelt aurustub, siis absoluutne niiskus kasvab, aga ei ületa tavaliselt küllastatud auru tihedust. See tähendab, et maksimaalne absoluutne niiskus samadel tingimustel on

Küllastumine sõltub temperatuurist, igal õhutemperatuuril on oma küllastunud auru tihedus, mis on laboratoorselt määratud (ptk 1.6.) ja mida võib vaadata vastavast tabelist. Kõrgemal temperatuuril on küllastunud auru tihedused suuremad. Väga kuuma ja märja ilmaga (37°C) võiks ühes kuupmeetris õhus olla isegi 44 g veeauru, aga tihtipeale on kuumad ilmad pigem kuivad ja küllastus saabub hoopis temperatuuri langemise tõttu. Enamasti on õhus veeauru küllastusest vähem, aga välitingimustes võib õhuniiskus küllatuseni tõusta näiteks vihmase ilmaga või veepinnalt aurustumise tulemusena. Kuigi väike vihmasadu ei pruugi küllastuse saabumiseks piisavalt auru lisada, on siiski kindel, kestva saju ja uduga on õhu absoluutne niiskus maksimaalne võimalik.

Suhteline õhuniiskus. Kui on teada, et õhus on tõesti kuupmeetri kohta 15 g veeauru (), aga nimetatud temperatuuril võiks olla kuni 23 g (A_25°C), siis ei ole raske välja arvutada, millise osa (mitu %) võimalikust moodustab tegelik. Seda suhet väljendatakse peaaegu alati protsentides ja nimetatakse suhteliseks (relatiivseks) õhuniiskuseks (). Suhteline õhuniiskus on inimeste tervise ja enesetunde hindamise seisukohalt oluline näitaja. Ka ilmaennustuses on suhteline niiskus parem näitaja kui absoluutne.

Kui juba nimetatud arvud valemisse panna, siis tuleb välja, et meie näidispäeva suhteline õhuniiskus on

Mugav on, kui eluruumides on õhu suhteline niiskus parajalt keskmine. Nii liiga kuiv kui ka liiga niiske õhk on pikema aja jooksule tervisele kahjulikud. Näiteks kooliruumides peab vastavalt tervisekaitsenõuetele õhuniiskus olema 30%–70%. Eluruumides peetakse siiski paremaks hoida niiskus vahemikus 40%–60%. Kahjuks on talvisel ajal köetud ruumides õhuniiskus tihti alla 30%, mis pole tervisele hea.

Tabel Küllastunud õhuniiskus erinevatel temperatuuridel.

Kastepunkti on väga lihtne märgata. Kui suveõhtul paljajalu murul käies tunnete, et varbad saavad märjaks, siis ongi temperatuur maapinnal langenud kastepunktini. Kui õnnestub sel hetkel määrata temperatuur maapinnal, siis see ongi kastepunkt. Kastepunkti kaudu kalibreeritakse tihti õhuniiskuse mõõteriistu, hügromeetreid.

Kui kastepunkt jääb alla 0°C, siis vedelat vett muidugi tekkida ei saa. Ka seda nähtust me tunneme ja armastame. See on härmatumine.

Pilved. Õhuniiskusel on oluline roll pilvede moodustumisel. Väga üldiselt öeldes saavadki pilved moodustuda ainult õhus olevast veeaurust. Pilvede moodustumiseks ja sademete langemiseks on siiski vaja täita mitu tingimust.

A) Õhus peab olema piisavalt veeauru, et kondenseerumine saaks alata (meie kliimas sellest tavaliselt puudust pole).

B) Õhk peab jahtuma alla kastepunkti.

C) Kondenseerumise algamiseks on vaja kondensatsioonituumi. Tuumadeks kõlbavad soolakristallikesed, tolm, tahm, bakterid ja muu õhusaaste. Tuumosakeste puudumisel võib õhk nii palju jahtuda, st suhteline niiskus tõuseb tublisti üle saja protsendi, aga kondenseerumine ei alga.

D) Erinevate pilvede tekke ja sademete seisukohalt on oluline ka jääkristallide teke.

Kui õhk on piisavalt niiske, on pilvede tekkeks vaja jahtumist. See võib toimuda mitmel moel: erinevate õhumasside segunemisel, õhu jahtumisel kiirgumise või aurustumise tõttu, õhu paisumisel. Rünkpilved (mida üldiselt peetakse kõige ilusamaks ja õigemaks pilveliigiks) tekivad tihti just sellest, et niiske õhk tõustes paisub (rõhk langeb) ja seepärast jahtub alla kastepunkti. Seepärast on rünkpilved enamasti altpoolt tasased - sama niiskusega õhumassi tõusmisel saabub kastepunkt ligikaudu samal kõrgusel.

Kõrbelise kliimaga aladel ei saa sajupilved tekkida just õhu kuivuse tõttu. Kui absoluutne niiskus on väga madal, siis ei vii isegi päris korralik jahtumine kastepunktini, pilvi ei teki ja sademeid ei ole. Kohaliku kliima kujunemisel on olulisemad tegurid õhutemperatuur ja -niiskus, aga ka tuuled, õhurõhk jm. Seepärast päris otsest seost õhuniiskuse ja sademete vahel ei ole. Näiteks maailma kõige kuivemaks kohaks peetavas Atacama kõrbes (Lõuna-Ameerika idarannikul) ei saja peaaegu kunagi, ometi on taevas pilves ja õhk võrreldes teiste kõrbetega suhteliselt niiske. Sademeid arvestatakse seal pikaajalise keskmisena umbes 1 mm aastas, paljudel aastatel ei saja üldse. Eestis sajab tavaliselt 520–820 mm aastas. Atacama vihmapuuduse põhjuseks loetakse ümbritsevate mägede ja püsiva hoovuse mõju õhurõhule ja õhumasside liikumisele. Kuigi seal vihma ei saja, võimaldab niiske õhk mõnikord udu ja kaste tekkimist, millest piisab samblike ja isegi mõnede kaktuste eluspüsimiseks.

Tuleb tunnistada, et kuigi pilvede teket on palju uuritud, ei ole tänaseni lõpuni selged biosfääri ühendite, õhureostuse (sh lennukite heitgaaside) ja kosmilise kiirguse seosed pilvetekkega.

Temperatuur. Graafikutele jääb vähemalt osaliselt kolm ööd. Esimese päeva õhutemperatuuri maksimum on kõrgem kui teisel ehk nagu tavaliselt öeldakse, esimene päev oli soojem.

Teise päeva temperatuuri käigus on märgatav jõnks, mille põhjus ei selgu esitatud graafikutelt.

Õhuniiskus. Laias laastus on temperatuuri ja suhtelise õhuniiskuse graafikud vastupidised, st kui on soe, on suhteline niiskus väiksem. Jahedatel öödel tõuseb niiskus 100%-ni, on kastene või udune. Kõige esimene öö on olnud jahedam ja ka õhuniiskuse graafik püsib pikalt 100% peal.

Niiskuse graafik teeb teisel päeval väga täpselt kaasa temperatuuri kõikumised, kõik täpselt tagurpidi. Ka temperatuurigraafikule vastav jõnks on samal kellaajal.

Sademed. Esimesel hommikul, kui temperatuur oli juba tõusnud, ei hakanud õhuniiskuse graafik sugugi langema. Selle põhjuseks oli hommikune vihmasadu. Kui sadu lakkas, sai ka niiskuse graafik „laest lahti”.

Õhtust kastet ja hommikust udu, isegi väikest vihmasabinat saab edukalt seletada kohalike veekogude pinnalt ja taimelehtedelt aurustunud vee kondenseerumisega. Suuremad sajud ja lumetuisud peavad ilmselgelt pärinema mõnelt suuremalt veeauru allikalt, küllap siis ookeanilt.

Vaatame ühte konkreetset näidet sellest, kuidas suvised vihmasajud Eestisse jõuavad (joonis 1.5.2.). 24. juunil on olnud üsna ilus, kuigi mitte eriti soe suvepäev. Õhtul on meil vahelduva pilvitusega ilm, mõõdukas tuul puhub kirdest. Tähelepanelik vaatleja võib märgata, et päike loojub pilvedesse. See ei ennusta head ilma, sest väga tihti tulevad meile järgmiseks päevaks just need pilved, mis õhtul edelast paistavad. Vanarahva ilmatarkuski ütleb, et kui loojuv päike tagasi vaatab, tuleb homme ilus päev. Meteoroloogiasatelliitide piltidelt võib näha, et eelmisel päeval Atlandi ookeanil aurustunud veest on moodustunud pilvekeeris, mis liigub üle Kesk-Euroopa ja peaks 25. juunil ületama Eesti. Kindlasti tuleb sajune päev. Pöörlev niiske õhumass ei ole küll ise külm, aga tõmbab tuule suunda muutes meile põhja poolt külmemat õhku ja seepärast on järgmine päev mitte ainult vihmane, vaid ka jahe. Teise päeva õhtuks on sajud taandunud kirdesse, aga satelliidipilt näitab juba uue keerise tekkimist Briti saartest läänes. Esialgu on veel vara öelda, kuhu poole niiske õhumass järgmiseks täpselt pöördub, aga võib-olla juba südaööks saavad sünoptikud ka selle kohta ennustuse tehtud.

Seda piirkonda, mis meie ilma nii oluliselt mõjutab, nimetatakse mõnikord Põhja-Atlandi ilmakatlaks. Selles katlas keedetakse enamasti meie suvised sajud ja sügistormid. Sealse temperatuuri, õhurõhu ja -niiskuse, tuulte jm järgi arvutatakse järgmiste päevade ilmateade. Euroopa ülikoolides ja teadusinstituutides arendatakse ja rakendatakse pidevalt mitmeid ilmamudeleid. Tuleb tunnistada, et tänaseks on kolme päeva ilmateade enamasti palju-palju parem, kui me tahame tunnistada. Ilmaennustajate kirumise traditsioon on visa kaduma. Siiski ei aita ka väga head andmed ja ülivõimsad arvutid teha kuigi täpset ilmaennustust pikemaks ajaks. Näiteks järgmise aasta jaaniõhtut need ilmamudelid planeerida ei aita. Siin Läänemere ääres sõltub igapäevane ilm siiski päris paljudest pisiasjadest ja atmosfäär on nii suur, et piltlikult öeldes „ilm ei tea isegi, milline ta järgmisel suvel tuleb”.

Õnneks on meie ilmad siiski mõõdukad. Ka meid ohustavad tormid ja tuisud, merevee taseme tõus, suured sajud ja üleujutused, rahe ja teisedki äärmuslikud ilmanähtused. Samas oleme mitmestki päris äärmuslikust riskist seni vabad. Atlandi ookeani teisel kaldal tabavad igal aastal Kuubat ja Floridat troopilised orkaanid. On kostnud arvamusi, et kliima muutumine võib viia selleni, et ka meid hakkavad orkaanid kimbutama. Tegelikult seda ohtu siiski pole, kliima peaks selleks ikka väga-väga palju muutuma, et troopilised tsüklonid Läänemerele jõuaksid. Vaikse ookeani idaosa suurtest ilmariskidest kuulsaim kannab nime El Niño. Tegemist on ookeani pinna erakordse soojenemisega, mille tingivad püsivad muutused tuule suunas. El Niño on perioodiline nähtus, aga väga täpset korda ta ei pea, sama olukord tekib uuesti 4 kuni 7 aasta järel. Sooja pinnavee kogunemine Lõuna-Ameerika rannikule põhjustab olulisi ilmamuutusi. Tavaliselt kuiva kliimaga Peruud ja Ecuadori kimbutavad vihmasajud. Austraalias, kus niigi ollakse tihti hädas kuivuse ja kuumaga, esinevad El Niño aastatel erakordsed põuad. Hoovuste muutumine mõjutab kalavarusid ja seekaudu paljude piirkondade majandust. Klimaatilised muutused ulatuvad kaugele Põhja-Ameerika sisemaale, mõnedel hinnangutel on mõju lausa globaalne.

Õhuniiskuse mõõtmiseks kasutatakse hügromeetreid. Muidugi on olemas ka muude niiskuste (näiteks puidu niiskuse) mõõtmise hügromeetrid, aga siin tuleb juttu õhuniiskuse mõõtmise viisidest. Hügromeetrid on kasutusel kasvuhoonetes, tööstusruumides, inkubaatorites, saunades, muuseumides, ladudes jm. Pole paha ka elu-, töö- ja kooliruumides vahel õhuniiskust kontrollida. Niiskuse mõõtmine on peaaegu alati kaudne. Kõige otsesem viis absoluutse niiskuse mõõtmiseks on kaalumine. Kaaluda tuleks uuritav õhk ja võrdne ruumala kuiva õhku. Masside erinevusest on lihtne arvutada veeauru kogus ühes kuupmeetris ehk absoluutne õhuniiskus. Põhimõtteliselt on selline mõõtmine võimalik, aga igapäevaseks tarvitamiseks kohmakas.

Suhtelise niiskuse igapäevaseks määramiseks kasutatakse mitmete materjalide omaduste muutumist sõltuvalt niiskusest. Õhuniiskusega seotud muutusi võime märgata ka oma tavaliste asjade juures. Puit on näiteks materjal, mille niiskus kõigub koos õhu veesisaldusega ja puitesemete mõõtmed muutuvad. Kapiuksed käivad kuiva ilmaga kergemini, mõni sahtel ei tule niiskel sügisel hästi lahti. Muusikud teavad, et puidust pillid lähevad ilmamuutusega häälest ära. Raamatukogude hoidlates jälgitakse hoolega õhuniiskust, sest liiga kuivas õhus tõmbuvad raamatukaaned kõveraks. Laialt on tuntud mitmete elektrinähtuste seos õhuniiskusega. Mitmesugused niiskumisega ja kuivamisega seotud füüsikaliste omaduste muutused annavad võimaluse konstrueerida erinevaid hügromeetreid.

Juushügromeeter. Suur osa elu- ja tööruumide mõõteriistu, mis aitavad meil valvata, et õhk oleks tubades tervislikult niiske, mõõdavad juuksekarva pikkust. Inimese juustel, aga ka muudel loomsetel- ja isegi tehiskiududel on omadus olla niiskes õhus veidi pikem kui kuivas. Vahe ei ole väga suur, aga piisav, et seda muutust üsna lihtsa ülekandega osuti abil nähtavaks muuta.

Elektrilised hügromeetrid. On olemas aineid, mille elektrilised omadused (takistus või dielektriline läbitavus) sõltuvad niiskusest. Neil nähtustel põhinevad hügromeetrid on tänapäeval laialt levinud, sest võimaldavad väga lihtsalt pikaajalise mõõtmise tulemusi salvestada.

Kuigi need laialt kasutatavad hügromeetrid on lihtsad ja odavad, on neid vaja millegi järgi kalibreerida. Selleks on põhiliselt kasutusel kaks veidi keerulisemat hügromeetri tüüpi, kus ei kasutata niiskusega kaasnevaid materjalide omaduste muutusi, vaid õhu aurusisaldusega kaasnevaid füüsikalisi nähtusi.

Psühromeeter. Õhuniiskuse määramise klassikaline, psühromeetriline meetod seob kokku kaks aurustumisega [bookx=1596](ptk Gaas ja vedelik)[/bookx] seotud nähtust.

A) Aurustumise intensiivsus on seotud õhuniiskusega. Igaüks teab, et kuivamine (vee aurustumine asjadelt, riietelt, inimestelt) toimub kuiva ilmaga palju kiiremini. 100% õhuniiskuse korral näiteks pesu üldse ei kuiva. Pesukuivatamisel on teisi nähtusi, mis võivad tublisti abiks olla, näiteks päikesepaiste ja tuul. Mõõteriistades püütakse need segavad nähtused kontrolli alla hoida, nii et aurustumist määraks ainult õhuniiskus.

B) Aurustumiseks kulub energiat ja kui kehalt aurustub vett, siis ta jahtub. Näiteks teame, et märgades riietes on külm. Kokku tähendab see, et kuivas õhus peab märg keha jahtuma rohkem kui niiskes õhus, kui kõik muud tingimused on samad.

Psühromeeter koosneb kahest termomeetrist. Üks on kuiv, teine hoitakse pidevalt märg. Lihtne vahend vedeliktermomeetri niisutamiseks on reservuaari ümber keeratud märg lapp, mis tuleb otsapidi vees hoida. Kui õhk on veeaurust küllastunud (õhuniiskus 100%), siis vesi märjalt lapilt ei aurustu, märg termomeeter ei jahtu ja näitab koos kuivaga ümbritseva keskkonna temperatuuri. Kui suhteline niiskus on väiksem, siis hakkab märjalt termomeetrilt vett aurustuma, see jahtub ja temperatuurinäitudesse tekib vahe. Vahe on seda suurem, mida kuivem on õhk. Psühromeetriga käib kaasas vastav tabel, kust saab leida temperatuurierinevusele vastava õhuniiskuse.

Täpseteks meteoroloogiavaatlusteks ja teiste hügromeetrite kalibreerimiseks kasutatavates psühromeetrites luuakse eriti kontrollitud tingimused. Õhu liikumiskiirus termomeetrite ümber hoitakse ventilaatoriga täpselt võrdne ja termomeetrid on eraldi kaitstud igasuguse välise soojuskiirguse eest.

Jahutatud peegel. Hügromeetrite kalibreerimiseks sobib hästi kastepunkt, temperatuur, mille juures õhus olev veeaur hakkab kondenseeruma [bookx=1580](ptk Kastepunkt)[/bookx]. Väga hästi on kondenseerumise algus (kaste langemine) näha peegelpinnal. Kastepunkti määramiseks mõõdetakse jahutatava peegli temperatuur täpselt kondenseerumise algushetkel. Peegli uduseks muutumise võib määrata hoolsa vaatlemisega, aga on olemas ka elektroonilised meetodid. Kastepunktile vastava absoluutse niiskuse saab vaadata tabelist. Elektrooniliste seadmete korral on tabel muidugi arvutimälus. Sedasorti hügromeetreid kasutatakse tihti laborites, sest kuigi üsna täpsed ja töökindlad, vajavad nad hooldamist ja puhastamist. Tulemusi võivad häirida tolm ja muu õhusaaste.

Vedeliku ja gaasi piirpinna lähemaks uurimiseks vaatleme kõigepealt vihmapiiska. Kui õhk, mis sisaldab piisavalt veeauru ja kondensatsioonituumi, on piisavalt jahtunud [bookx=1600](ptk Kastepunkt)[/bookx], tekivad piisad, mis võivad õhuvooludes hõljuda, aga võivad ka sademetena alla langeda. Kuid mis hoiab vihmapiiska koos?

Vastus on lihtne: kõiki vedelikukoguseid hoiavad koos molekulaarjõud. Piiskades toimivad need jõud sarnaste osakeste vahel (näiteks elavhõbedatilgas või vihmapiisas), neid nimetatakse kohesioonijõududeks (ladina keeles: cohaereo - kokku kuuluma, tervikut moodustama).

Kui vihmapiisk jõuab aknale, siis hoiavad teda seal kinni jälle molekulaarjõud. Kuna klaasi ja vihmavee molekulid on erinevad, siis on tegemist adhesioonijõududega (ladina keeles: adhaereo - kinni hoidma, küljes rippuma).

Kohesioon ja adhesioon osalevad mitmetes huvitavates ja olulistes nähtustes: pindpinevus, vedelike voolamine torudes ja lahtistes voolusängides, tilkumine, märgumine, imbumine poorsetesse ja kiulistesse materjalidesse.

Meenutame, et faasidevahelisel [bookx=1573](ptk Faasid)[/bookx] piirpinnal on tihti erilisi omadusi, seal toimuvad mitmed füüsikalised ja keemilised protsessid, ilmneb erinevaid nähtusi. Vihmapiisaski on vedeliku ja gaasi piirpinna molekulid täiesti erilises olukorras. Vedeliku sees on iga molekul ühtlaselt ümbritsetud naabritega ja seotud kohesioonijõududega, mis on keskmiselt võttes tasakaalus (resultantjõud on null). Piirpinnal on olukord teine. Väljaspool (gaasi poolel) on molekule väga vähe, tasakaal on rikutud ja seepärast mõjub pinnakihi molekulidele summaarselt tõmme ainult ühes suunas, sissepoole. See tekitab vedeliku pinnakihis teatava pinge, mida nimetatakse pindpinevusjõuks. Pindpinevust võrreldakse tihti põhjendatult venitatud (pingutatud) elastse kilega. Kui täispuhutud õhupalli pigistada, siis kummikile venib suuremaks. Kui pall uuesti lahti lasta, püüdleb ta tagasi minimaalse pindala poole, täpsemalt minimaalse potentsiaalse energia poole. Sarnaselt toimib ka vihmapiisk. Vee ja õhu piirpind on alati võimalikult väike. Muude mõjude puudumisel on vihmapiisk kerakujuline, sest kera on sama ruumala juures kõige väiksema pindalaga keha.

Eelmistes peatükkides kirjeldasime pindpinevust ja märgamist kui nähtusi, mis seonduvad vedeliku piirpinna omadustega (gaasiga, tahkisega, teise vedelikuga). Siiamaani käsitlesime neid nähtusi staatilistena. Vihmapiiska kirjeldasime kerakujulisena [bookx=1598](ptk Pindpinevus)[/bookx] tekkimise hetkest peale ja ta justkui püsiks sellisena igavesti. Kapillaartõusu mudelis kehtis püsiv tasakaal raskusjõu ja pindpinevusjõu vahel [bookx=1593](ptk Kapillaartõus)[/bookx]. Tegelikult on võimalus asju nii staatiliselt kirjeldada pigem erand, sest vedelike ja gaaside (vooliste) molekulid on liikumises üsna vabad ja põhiliseks omaduseks on voolamine, sellest nende ühine nimigi. Voolamine on üsna keeruline nähtus, milles osalevad nii voolise osakeste vahelised kohesioonijõud kui ka voolusängi (toru, vooliku, teise vedeliku või gaasi) ja voolava vedeliku vahelised molekulaarjõud . Ka märgumine ja kapillaartõus on dünaamilised nähtused, kus on oma osa vedeliku viskoossusel ja aurustumisel.

Tilkumine. Vaevalt on kuigi paljud inimesed näinud vihmapiisa moodustumist. Esiteks on piisad kõrgel, teiseks on nad algul väga pisikesed. Kuid tilgad tekivad ka tilkumisel, ja tilkuvat kraani on igaüks näinud. Arvatavasti ka kuulnud. Kõige lihtsam ja ilmekam viis tilkade saamiseks ongi lasta vedelikul aeglaselt välja voolata vertikaalse toru alumisest otsast. Kui vedeliku pealevool on piisavalt aeglane, on hästi näha, kuidas veepind hakkab tasapisi allapoole kumerduma. Pealetuleva vedeliku pind venib raskusjõu toimel üha allpoole ja järsku annab miski järele. Tekkinud tilk kukub alla. Kohe hakkab kasvama järgmine. Valmis tilk kukub kahjuks nii kiiresti, et me ei näe täpselt, kuidas ta moodustub, kust ja kuidas veepind järgi annab ja milline on tilga kuju. Kiirkaameraga pildistatult on näha, et eraldunud vedelikukogus võtab kiiresti kera kuju ja pole langedes sugugi „tilgakujuline”. Võib-olla tundub meile, et näeme just sellist tilgakuju hetkel, kui veetilk kraaniavast lahti pääseb. Tuleb tunnistada, et just lahtirebimise hetkel see väga lühikeseks hetkeks nii ongi. Paigalseisvad tilgad (kastepiisad) ja vabalt langevad või hõljuvad tilgad (vihmapiisad) on siiski kerakujulised, kiiremal langemisel natuke langemissuunas lapikuks surutud.

Tilkade mõõtmine pole sugugi keeruline. Tuleb loetud hulk tilku topsikusse koguda ja ära kaaluda. Nii saab arvutada tilga massi ja tilgale mõjuva raskusjõu. Kui vedeliku tihedus on teada, saab arvutada ruumala ja seekaudu ka tilga läbimõõdu.

Mullid. Kondenseerumine ja tilkumine ei ole ainsad viisid tilkade saamiseks. Me kõik tunneme hästi pritsimismeetodit ja tehnikas saadakse vajaliku suuruse ja kontsentratsiooniga piisku pihustamisega. Kuid tilkadel on üks hästituntud analoog, mõnes mõttes ka vastand. Need on mullid, mida me juba nimetasime keemise kirjeldamisel [bookx=1596](ptk Gaas ja vedelik)[/bookx]. Mulli, nagu tilkagi, piirab gaasi ja vedeliku piirpind. Mullid on tihti kerakujulised nagu tilgadki. Erinevus on selles, et nüüd on piirpind gaasi poolt vaadates nõgus ja vedeliku poolt kumer. Mulli on suletud teatud kogus gaasi ja kuna gaasid on kokkusurutavad, siis on mulli ruumala muutlik. Seoses sellega on mullid tilkadest veelgi dünaamilisemad ja keerukamad uurimisobjektid.

Mullid on väga igapäevane nähtus nii looduses kui tehnikas, võib-olla piiskadest laiemaltki levinud. Lühike ja mitte väga täielik mullitekke nimekiri võiks olla järgmine.

Keemismullid. Keemistemperatuurini kuumutatud vedelikus tekivad aurumullid. Kui aurumull satub konvektsiooni teel kohta, kus temperatuur on keemistemperatuurist madalam, siis aurumull kaob, st kondenseerub uuesti vedelikuks. Intensiivsel kuumutamisel tõusevad keemismullid kiiresti ülespoole ja kasvavad seejuures suuremaks.

Lahustunud gaaside eraldumine, näiteks süsihappegaasi mullide tekkimine karastusjoogi pudeli avamisel.

Õhu segamine vette, näiteks kosest langeva vee või murdlainetuse korral.

Gaasi „puhumine” vedelikku. Näitena võib vaadelda sukelduja väljahingatava õhu pinnaletõusmist või aktiivmuda aereerimist reovee biopuhastis.

Keemilise reaktsiooni gaasilised saadused. Näiteks süsihappegaasi tekkimine söögisooda reageerimisel happega või järvesettest bioloogilisel lagunemisel kerkivad gaasimullid.

Seebimullid. Kindel õhukogus, mis on piiratud õhukese seebiveest kilega, on tuntud seebimullina. Seebivesi ei pea ilmtingimata sisaldama seepi. Kõlbavad ka paljud teised ained, aga tõsi on, et puhtast veest püsivat mulli ei saa. Seebimullide puhumiseks peab pindpinevustegurit vähendama. Seda tehakse pindaktiivsete ainetega. Pindaktiivsete ainete molekuli ehitus on selline, et suur osa neist kogunevad veepinnale, seega ka mullikile pinnale, vähendavad pindpinevustegurit ja veidi ka aurustumist. Mitmesugused pesuained on mullipuhumise juures proovimist väärt.

Tavalised seebimullid ei kesta kaua, enamasti mõned sekundid, harva minuti või rohkem. Lühiealisuse põhjuseks on eelkõige aurustumine ja voolamine. Mullid lihtsalt kuivavad nii õhukeseks, et vedelikukihi sisemine ja välimine külg saavad kokku. Kui õhk on mullist välja pääsenud, püüdleb seebikilet moodustanud vedelik jällegi minimaalse pindala poole, moodustades ideaaljuhul kerakujulise tilga. Tegelikult moodustub küll mitmete kõrvalnähtuste tõttu mitu tilka, aga kerakujulised saavad need igal juhul. Ka raskusjõud on seebimullide vaenlane. Mulli sisemise ja välimise vedelikupinna vahel peab olema piisav seebivee kiht. Kahjuks kipub vesi allapoole voolama, mull jääb ülalt liiga õhukeseks ja lõhkeb. Siiski on võimalik seebivee koostist parandades ja keskkonda niiskena hoides seebimulle säilitada mitmeid päevi, isegi kuid.

Siinkohal lõpetame pinnanähtuste teema. Mulliteaduse nüansid ei ole sellega sugugi ammendunud. Kirjeldamata jäid antimullid, omapärane nähtus, kus ühte uurimisobjekti on seotud nii tilga kui ka mulli omadused. Antimulle võib märgata vedelikus hõljuva või pinnal libiseva tilgana, mida eraldab väliskeskkonnast õhuke gaasikiht. Seebimullidele on nad tõesti vastandid. Samuti ei jõudnud rääkida ilma mullideta keemisest. Sellest, kui veetilk kukub kuumale pliidile ja kiiresti ringi kihutades keeb iseendast tekkiva auru padjal ära, ilma et tekiks keemisel iseloomulikku mullide kerkimist. Eraldi kursust vääriksid pinnanähtuste rakendused tehnikas ja tähtsus looduses, sulamine, keemine, tilkumine, mullitamine või vahutamine kaaluta olekus ja palju muud huvitavat.

Nüüd, kui teame juba üsna palju aine erinevatest olekutest ja faaside vahelisest piirpinnast, võib veelkord tagasi tulla faasisiirete juurde, kõigepealt aine agregaatolekute muutumise teemasse.

Ühe konkreetse aine olekuid (laiemalt võttes kõiki faase) võib kujutada arvteljel, nagu külili asetatud termomeetril (joonis 1.9.1.). Sellel arvteljel on kaks olulist punkti, A) sulamis- ja tahkumistemperatuur; B) keemis- ja kondensatsioonitemperatuur. Need temperatuurid on aineti erinevad ja seepärast on igal ainel vedela oleku vahemik erineva pikkusega ja erinevas kohas.

Selline pilt (joonis 1.9.1.) kehtib ainult muutumatu rõhu korral, sest sulamistemperatuur ja eriti keemistemperatuur (joonis 1.2.2.) sõltuvad välisrõhust. Näiteks vee korral on atmosfäärirõhul sulamistemperatuuri ja keemistemperatuuri vahe 100 kraadi. Kõrgemal rõhul on see vahe pikem, madalamal lühem. Et saada täit pilti aine olekute muutustest kõigil rõhkudel, ei piisa ühest arvteljest. Kui aga lisada joonisele 1.9.1. veel sulamise ja keemise andmeid kõrgematel ja madalamatel rõhkudel, saame aine olekute graafilise esituse, mida nimetatakse olekudiagrammiks (joonis 1.9.2.). Olekudiagrammi kõverad kujutavad tingimusi, kus toimub üleminek ühest olekust teise. Tahke ja vedela oleku vahel on sulamiskõver, vedela ja gaasilise piiril on keemiskõver, tahket ja gaasilist olekut eraldab sublimatsioonikõver. Keemiskõveral on keemistemperatuurid erinevatel rõhkudel, sulamiskõveral sulamistemperatuurid erinevatel rõhkudel. Kõverate vahele jäävad alad vastavad tingimustele (rõhk ja temperatuur), mille juures aine on gaasilises, vedelas või tahkes olekus.

Tavaliselt on ainete nii keemis- kui sulamiskõver kaldu kõrgemate temperatuuride poole, aga keemiskõvera kalle on suurem, st et rõhk mõjutab keemist rohkem kui sulamist. Igal diagrammil on üks punkt, kus kõverad kohtuvad. Kuna selles punktis kohtuvad ka aine kolme olekut (gaasilist, vedelat ja tahket) kujutavad diagrammi alad, siis on selle nimi kolmikpunkt.

Kui aine temperatuur ja rõhk on faasidiagrammil sulamiskõveral, võib aine korraga olla tahkes ja vedelas olekus, näiteks jääkuubikud vees. Keemiskõverale vastavatel tingimustel esinevad korraga gaas ja vedelik, näiteks aurumullid keevas vedelikus. Kolmikpunkti tingimused võimaldavad ainel olla korraga kolmes olekus. Keevas vedelikus on siis koos nii aurumullid kui ka tahkise tükid. Igapäevaelus me sellist olukorda ei kohta, sest sellised tingimused on üsna haruldased. Igal ainel on ju ainult üks kolmikpunkt. Me elame atmosfääris, mille rõhk on üsna püsiv, umbes üks atmosfäär (1 atm=101325 Pa). Kui me leiaks aine, mille kolmikpunkt on atmosfäärirõhul ja jääb ka elukeskkonna tavalisse temperatuurivahemikku, oleks tõesti võimalik kolme olekut korraga ühes nõus vaadelda. Lihtsate tehniliste vahenditega võib sellise olukorra saavutada veega, meie lemmikainega (joonis 1.9.3.).

Keemiskõveral on veel üks eripära kõrgel temperatuuril ja suure rõhu all. Gaas ja vedelik erinevad tiheduse poolest, vedelike tihedus on suurem. Vedelikud paisuvad kuumutamisel ja nende tihedus väheneb. Teiselt poolt suureneb gaaside tihedus kokkusurumisel. Nii juhtubki, et keemiskõver katkeb ühes punktis, mida nimetatakse kriitiliseks. Sellest punktist edasi pole enam võimalik kokkusurutud gaasil ja paisunud vedelikul kindlat vahet teha. Vastuseta jääb küsimus, kas tegemist on vedeliku tiheduseni kokku surutud gaasiga või gaasisarnaseks paisunud vedelikuga. Ülekriitilises voolises ei saa olla olekutevahelist piirpinda. Pajude tuntud gaaside kriitiline temperatuur on üsna madal. Näiteks metaani (maagaasi) kriitiline punkt on T= 190,7 K (−82,5 °C), p = 46 bar (45,4 atm). Sellest on näha, et igapäevastel temperatuuridel ei saa muuta maagaasi kokkusurumisega pärisvedelikuks. Küll aga saab seda teha jahutamisega.

On üsna loogiline arvata, et ained, mida me gaasideks nimetame, veelduvad madalal temperatuuril ja lõpuks väga-väga madalal temperatuuril tahkuvad. Sellel arvamusel on tõepõhi all, kuid siingi ei saa mööda rõhu küsimusest. Tõepoolest, paljud gaasid veelduvad atmosfäärirõhul, mõned neist väga madalal temperatuuril. Vesiniku keemistemperatuur on 20,28 K (−252,87°C), heeliumil koguni 4,22 K (−268,93°C). Veeldumise mõttes on erandiks ained, mille kolmikpunkt on tavalisest õhurõhust kõrgemal. Sellistest gaasidest ilma rõhku tõstmata vedelikku ei saa. Tahkumise osas jääb erandiks heelium. Ülimadalatel temperatuuridel ilmutab heelium ootamatuid füüsikalisi omadusi (näiteks ülivoolavus) ja tahkeks ta atmosfäärirõhul ei muutugi. Tahke heeliumi saamiseks on vaja rõhku tõsta.

Süsihappegaasi me tunneme igapäevaelus gaasina, tal on isegi vastav nimi. Olekudiagrammi (joonis 1.9.2.) atmosfäärirõhu horisontaali vaadates märkame, et atmosfäärirõhul süsihappegaas ei veeldu (ei kondenseeru vedelikuks), kuitahes osaval jahutamisel. Võib tunduda, et me just seepärast nimetame teda gaasiks, aga päris nii see siiski ei ole. Paljud ained, mida me ikka ja ainult gaasidena tunneme, veelduvad ja tahkuvad üsna sarnaselt veega, st kolmikpunkt on neil allpool atmosfäärirõhku. Näiteks lämmastik veeldub temperatuuril −195,79°C ja tahkub −210°C juures ilma rõhku muutmata.

Kolmikpunktist allpool, st madalmatel rõhkudel ei ole temperatuuri muutmisega võimalik ainet vedelaks muuta. Süsihappegaas (kolmikpunkt T=216,6 K, p=518kPa) on atmosfäärirõhul ainult gaasiline või tahke. Temperatuuril −78,5°C moodustab süsihappegaas härmatise (süsihappelume), mis samal temperatuuril sublimeerub, kui teda soojendada. Soojendamiseks ei ole muidugi vaja muud kui hoidmist toasoojas õhus. Tegelikult on isegi korralik talvepakane tahkunud süsihappegaasile „liiga soe”. Vedelas olekus võib süsihappegaas olla kõrgemal rõhul, nii teda balloonides hoitaksegi. Väljalaskmisel vedelik aurustub ja sellest tuleneva jahtumise tõttu osa tahkub, moodustades süsihappelume, mille pressimisel saadakse nn kuiv jää.