چرا آب در ارتفاعات در دمایی کمتر از ۱۰۰ درجه سلسیوس میجوشد، اما پختن غذا ممکن است طولانیتر شود؟ چرا مایعی فرّار در ظرف باز سریعتر کم میشود؟ پاسخ این پرسشها به حرکت ذرهها، تعادل میان تبخیر و میعان و کمیتی به نام فشار بخار مربوط است. در این مقاله فشار بخار تعادلی را از دید ذرهای میسازیم، تفاوت تبخیر و جوشیدن را روشن میکنیم و با کمک نمودار فشار بخار، اثر دما، فشار محیط و نیروهای بینمولکولی را مرحلهبهمرحله تحلیل میکنیم.
تبخیر از سطح مایع آغاز میشود
ذرههای یک مایع انرژی جنبشی یکسانی ندارند. در هر دما، بعضی ذرههای نزدیک سطح انرژی کافی دارند تا بر جاذبه ذرههای پیرامون غلبه کنند و وارد فاز گاز شوند. این فرایند تبخیر نام دارد و میتواند در دماهایی پایینتر از نقطه جوش نیز رخ دهد.
تبخیر یک فرایند گرماگیر است؛ ذرههای پرانرژیتر از مایع خارج میشوند و میانگین انرژی جنبشی ذرههای باقیمانده کاهش مییابد. به همین دلیل تبخیر عرق میتواند پوست را خنک کند. افزایش سطح آزاد مایع یا جریان هوا معمولاً سرعت تبخیر در ظرف باز را بیشتر میکند، اما این عوامل را نباید با مقدار فشار بخار تعادلی در دمای ثابت یکی دانست.
- تبخیر فقط به نقطه جوش محدود نیست
- در تبخیر، ذرهها از سطح مایع خارج میشوند
- تبخیر گرماگیر است و میتواند اثر سرمایشی داشته باشد
- سرعت تبخیر با فشار بخار تعادلی یک کمیت نیست
فشار بخار در ظرف بسته به تعادل میرسد
اگر مقداری مایع در ظرف بسته قرار گیرد، مولکولهای بخار نمیتوانند همگی از ظرف دور شوند. همزمان با تبخیر، بخشی از مولکولهای گازی با سطح مایع برخورد میکنند و دوباره به مایع بازمیگردند؛ این فرایند میعان است. پس از مدتی، در دمای ثابت سرعت تبخیر و میعان برابر میشود و تعادل پویا شکل میگیرد.
فشاری که بخار مایع در این تعادل ایجاد میکند «فشار بخار تعادلی» آن مایع در همان دماست. در تعادل، تعداد مولکولهای بخار به طور میانگین ثابت میماند، اما تبخیر و میعان متوقف نشدهاند. اگر در ظرف هنوز مایع خالص وجود داشته باشد، بزرگترکردن سطح مایع فقط رسیدن به تعادل را سریعتر میکند و مقدار نهایی فشار بخار را در دمای ثابت تغییر نمیدهد.
- ظرف بسته امکان برقراری تعادل تبخیر و میعان را فراهم میکند
- در تعادل: سرعت تبخیر = سرعت میعان
- فشار بخار هر مایع به دما و ماهیت آن وابسته است
- مقدار مایع، تا وقتی هر دو فاز حاضرند، فشار بخار تعادلی را تعیین نمیکند
افزایش دما فشار بخار را بالا میبرد
با افزایش دما، انرژی جنبشی متوسط ذرهها بیشتر میشود و سهم بزرگتری از مولکولهای سطح انرژی لازم برای ورود به فاز گاز را پیدا میکنند. تعادل تازهای با تعداد بیشتر مولکول در فاز بخار برقرار میشود؛ بنابراین فشار بخار مایع افزایش مییابد.
رابطه فشار بخار و دما خطی نیست؛ پس نباید تصور کرد دوبرابرشدن دمای سلسیوس الزاماً فشار بخار را دوبرابر میکند. برای مقایسه عددی باید از داده یا نمودار مسئله استفاده کرد. روی نمودار فشار بخار برحسب دما، منحنی هر مایع صعودی است و هر نقطه فشار بخار تعادلی همان مایع را در یک دمای مشخص نشان میدهد.
- دما بیشتر: مولکولهای پرانرژی بیشتر
- دما بیشتر: فشار بخار تعادلی بیشتر
- رابطه فشار بخار و دما معمولاً خطی نیست
- هر مقدار روی نمودار باید با دمای همان نقطه خوانده شود
نیروهای بینمولکولی فرّاریت را تعیین میکنند
در دمای یکسان، مولکولهای مایعی با جاذبههای بینمولکولی ضعیفتر آسانتر از سطح جدا میشوند. بنابراین چنین مایعی فشار بخار بیشتر و فرّاریت بالاتری دارد. برعکس، جاذبههای نیرومندتر خروج مولکولها را دشوار میکنند و فشار بخار را کاهش میدهند.
هنگام مقایسه مواد، باید همه نیروهای مؤثر را در نظر گرفت. وجود پیوند هیدروژنی، قطبیت و اندازه و شکل مولکول میتوانند بر جاذبه کلی اثر بگذارند. یک قاعده کاربردی این است: در دمای برابر، منحنی بالاتر در نمودار فشار بخار به مایع فرّارتر و دارای نقطه جوش پایینتر تعلق دارد.
- جاذبه ضعیفتر: فشار بخار بیشتر
- فشار بخار بیشتر: فرّاریت بیشتر
- جاذبه قویتر: نقطه جوش بالاتر
- مقایسه نیروها باید در یک دمای یکسان انجام شود
جوشیدن زمانی رخ میدهد که فشار بخار با فشار محیط برابر شود
تبخیر از سطح رخ میدهد، اما هنگام جوشیدن حبابهای بخار در سراسر مایع تشکیل میشوند. این حبابها وقتی میتوانند پایدار بمانند و رشد کنند که فشار بخار مایع با فشار واردشده بر سطح آن برابر شود. پس شرط جوش را مینویسیم: P(vapor) = P(external).
نقطه جوش عادی، دمایی است که فشار بخار مایع به فشار یک اتمسفر میرسد. دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس برای آب، نقطه جوش عادی آن است و یک عدد ثابت برای هر فشار محیطی نیست. گرمکردن مایع فشار بخار را بالا میبرد تا شرط جوش برقرار شود؛ پس «جوشیدن بر اثر زیادشدن فشار بخار» با «بیشتربودن فشار محیط» یک معنا ندارد.
- تبخیر سطحی است؛ جوشیدن در سراسر مایع رخ میدهد
- شرط جوش: برابری فشار بخار و فشار محیط
- نقطه جوش عادی در فشار 1 atm تعریف میشود
- نقطه جوش به فشار خارجی وابسته است
ارتفاع و زودپز نقطه جوش را تغییر میدهند
با افزایش ارتفاع از سطح دریا، فشار هوا کاهش مییابد. در نتیجه فشار بخار مایع در دمای پایینتری با فشار محیط برابر میشود و آب زودتر، یعنی در دمایی کمتر، میجوشد. جوشیدن زودتر به معنای داغترشدن آب نیست؛ چون دمای آب جوشان پایینتر است، فرایند پخت میتواند زمان بیشتری بخواهد.
در زودپز، بخار محبوس فشار بالای سطح آب را افزایش میدهد. آب برای رسیدن به شرط جوش باید تا دمای بیشتری گرم شود؛ بنابراین دمای آب و بخار میتواند از نقطه جوش عادی بیشتر باشد و غذا سریعتر بپزد. پس کاهش فشار محیط نقطه جوش را کم و افزایش فشار محیط نقطه جوش را زیاد میکند.
- ارتفاع بیشتر: فشار هوا کمتر و نقطه جوش پایینتر
- فشار خارجی بیشتر: نقطه جوش بالاتر
- زودپز با افزایش فشار، دمای جوش آب را بالا میبرد
- جوش سریعتر در ارتفاع به معنی پخت سریعتر نیست
مثال و تمرین: نمودار فشار بخار را بخوان
مثال: از یک نمودار فرضی میخوانیم که فشار بخار مایع A در ۶۰ درجه سلسیوس برابر 760 mmHg است، در حالی که مایع B در همین فشار در ۸۰ درجه سلسیوس قرار دارد. چون نقطه جوش عادی محل رسیدن منحنی به 760 mmHg است، نقطه جوش عادی A برابر ۶۰ و برای B برابر ۸۰ درجه سلسیوس است. در دمای یکسان، A فشار بخار بیشتری دارد، فرّارتر است و جاذبههای بینمولکولی مؤثر آن ضعیفترند.
تمرین: فشار محیط در محلی 600 mmHg است. طبق نمودار، فشار بخار مایع B در ۷۰ درجه سلسیوس به 600 mmHg میرسد. این مایع در چه دمایی میجوشد؟ پاسخ ۷۰ درجه سلسیوس است، زیرا در همین دما فشار بخار با فشار محیط برابر شده است. برای حل نموداری، مقدار فشار خارجی را روی محور فشار پیدا کن، خطی افقی تا منحنی بکش و دمای نقطه برخورد را از محور دما بخوان.
- برای یافتن نقطه جوش، فشار محیط را مبنا قرار بده
- در 1 atm یا 760 mmHg، نقطه جوش عادی به دست میآید
- منحنی بالاتر در دمای یکسان مربوط به مایع فرّارتر است
- نقطه جوش پایینتر با فشار بخار بیشتر سازگار است
- سرعت تبخیر ظرف باز را با فشار بخار تعادلی اشتباه نگیر
- پاسخ را با جهت اثر فشار خارجی کنترل کن
برای تحلیل فشار بخار، ابتدا دما و ماهیت مایع را مشخص کن: دمای بیشتر یا جاذبه بینمولکولی ضعیفتر، فشار بخار را افزایش میدهد. برای یافتن نقطه جوش، دمایی را پیدا کن که در آن فشار بخار دقیقاً با فشار محیط برابر است. سپس جهت پاسخ را کنترل کن: ارتفاع بیشتر و فشار هوای کمتر باید نقطه جوش را پایین بیاورد، در حالی که افزایش فشار در زودپز باید آن را بالا ببرد. در نمودار نیز همیشه فشار خارجی را با منحنی همان مایع قطع کن و دمای متناظر را بخوان.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.