تبخیر چیست؟
ساده ترین تعریف از تبخیر به معنای تبدیل مایع به بخار است. هنگامی که به یک مایع گرما داده شود، به تدریج ذرات آن به جنب و جوش آمده و از هم فاصله می گیرند. با افزایش بیشتر گرما، مایع کم کم به بخار تبدیل شده و فرآیند تبخیر رخ می دهد. توجه شود که فرآیند تبخیر با مصرف نمودن گرما رخ داده و حالت ماده را تغییر می دهد. فرآیند تبخیر می تواند به صورت خود به خودی و یا با اعمال گرما همراه باشد. آشنایی خیلی از ما با مبحث تبخیر چیست از درس علوم سوم یا پنجم و حتی هفتم ممکن است شروع شده باشذ . در زندگی روزمره انسان فرآیند تبخیر بسیار مشاهده می شود. پخت و پز غذا و تبخیر ملایم آب دریا از نمونه های معمول فرآیند تبخیر بشمار می آید.
فرآیند تبخیر بخش اساسی در چرخه تولید آب بوده و به طور مداوم در طبیعت صورت می پذیرد. نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی بسیاری از مفاهیم علمی که در زندگی روزمره نیز کاربرد دارند، پرداخته است. در ادامه با ما همراه باشید تا با فرآیند تبخیر بیشتر آشنا شوید.
دلایل فرآیند تبخیر
فرآیند تبخیر در ارتباط با یک ماده رخ می دهد. بنابراین عواملی که بر ماده مؤثرند بر فرآیند تبخیر هم تاثیر گذارند. برخی از عوامل تاثیر گذار بر تبخیر در ادامه شرح داده می شود.
تغییرات دما: دما تاثیر مستقیمی بر تبخیر دارد. انرژی جنبشی در مولکول با افزایش دما، افزایش می یابد. در این صورت نیروی جاذبه بین مولکول ها نیز کاهش می یابد. بنابراین هرچه دما بیشتر شود سرعت تبخیر افزایش می‌یابد. با کاهش دما نیز می توان سرعت تبخیر ماده را کاهش داد. بنابراین دما می تواند اهرمی برای کنترل سرعت تبخیر باشد.
سطح: هرچه سطح تماس مایع با منبع گرما یا هوا افزایش یابد، سرعت تبخیر آن نیز بیشتر خواهد شد. درواقع با افزایش سطح تماس ماده با منبع گرما، تعداد ذرات بیشتری در معرض تغییر دما قرار گرفته و بنابراین سرعت تبخیر افزایش می یابد. در واقع اگر مقدار و دمای دو مایع برابر باشند، مایعی که سطح تماسش با گرما بیشتر است، سریع‌تر تبخیر می گردد.
تغییرات فشار: فشار رابطه معکوسی با فرآیند تبخیر دارد. وقتی فشار افزایش یابد، جنب و جوش ذرات محدود شده و ذرات به سادگی قبل نمی توانند حرکت کنند. بنابراین با کاهش و افزایش فشار نیز می توان سرعت تبخیر را تا حدودی کنترل نمود.
باد: نقش روبشی باد در جابجایی مولکول ها منجر به افزایش سرعت تبخیر خواهد شد. بنابراین با فزایش سرعت باد بر روی سطح مایعات می توان انتظار داشت که سطح تبخیر نیز افزایش یابد.
انواع تبخیر
- تبخیر سطحی
- تبخیر در نقطه جوش
نقطه جوش چیست؟
دمایی را که در آن یک مایع یا یک حلال شروع به جوش می کند را نقطه جوش می گویند. ما می توانیم نقطه جوش را برای یک فشار ثابت (فشار اتمسفر) تعریف کنیم. به عبارتی در این دماست که مایع شروع به تبخیر می کند. درواقع در این دما، فشار بخار برابر با فشار جو می شود.
نقاط جوش مواد تحت تأثیر عوامل بسیاری مختلفی قرار دارند. دمای جو به عنوان یک عامل خارجی می تواند بر روی نقطه جوش تاثیر بگذارد. برای مثال، مایعی که در خلا قرار دارد از نقطه جوش پایین تری برخوردار است، نسبت به وقتی که در فشار اتمسفر طبیعی قرار دارد. برعکس مایعی که در فشار بالا قرار دارد، نقطه جوش بالاتری هم خواهد داشت.
عوامل تعیین کننده نقطه جوش
خواص شیمیایی و فیزیکی خود ماده نیز می تواند بر نقطه جوش موثر باشد. اگر وزن مولکولی مولکول ها در مایعی بیشتر باشد، در مقایسه با مایعی که وزن مولکولی کمتری دارد، نقطه جوش بالاتری خواهد داشت.
در برخی ترکیبات مانند الکل در مقایسه با آلکان مربوطه نقطه جوش بالاتری دیده می شود. وجود پیوند هیدروژنی بین مولکول های الکل این اتفاق رخ می دهد. درواقع آلکان ها پیوند های هیدروژن قوی نداشته و روابط متقابل واندروالسی ضعیفی دارند. انرژی لازم برای شکستن پیوند های قوی هیدروژنی در الکل ها بیشتر بوده و همین دلیل باعث افزایش نقطه جوش آن ها می شود.
کاربرد تبخیر در نقطه جوش
نقاط جوش و تفاوت در آن، برای جداسازی مواد از مخلوط بسیار مفید است. روشی که برای جداسازی مواد با استفاده از تبخیر صورت می گیرد، تقطیر است. درواقع تبخیر در نقطه جوش از اصلی ترین روش ها برای تقطیر نفت است.
نفت حاوی تعداد زیادی هیدروکربن با تعداد کربن های متفاوت است. برخی راست زنجیر و برخی نیز شاخه دارند. حتی برخی هم معطر هستند. این ترکیبات نقاط جوش متفاوتی با یکدیگر دارند. با این وجود جدا نمودن مولکول ها از هم کار سختی است. نقاط جوش این ترکیبات بسیار به هم نزدیک است. با این حال، می توان آن ها را تا حدودی خالص سازی نمود. با کاربرد فرآیند تقطیر نفتی می توان مولکول هایی را که وزن مولکولی نزدیک تری در یک محدوده دمایی دارند از هم جدا نمود.
تبخیر چیست؟
همان طور که می دانید به فرآیند تغییر حالت یک ماده از مایع به بخار تبخیر می گویند. درواقع برای فرآیند تبخیر از سطح مایع، از این واژه و اصطلاح استفاده می شود. البته این فرآیند در مایع می تواند در نقطه جوش هم رخ دهد. در اینصورت فرآیندتبخیر از کل جرم مایع اتفاق می افتد. که در این صورت آن را جوشش می نامیم.
عوامل موثر بر تبخیر
این فرآیند می تواند تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار داشته باشد. در ادامه به برخی از آن ها اشاره شده است.
مثال هایی روزمره از تبخیر
فرآیند بخار شدن از فرآیند هایی است که در زندگی روزمره بسیار رخ می دهد. در ادامه به برخی از مثال های تبخیر اشاره شده است.
- تولید نمک با کمک فرآیند تبخیر. می توان نمک را از طریق تبخیر آب شور دریا و به طور صنعتی به دست آورد.
- خشک شدن لباس های شسته شده در هوای آزاد نیز پدیده ای آشنا از تبخیر است.
- در پخت و پز غذا و دم کردن چای نیز این اتفاق به وفور دیده می شود.
- از فرآیند تبخیر برای جداسازی اجزای مخلوط ها نیز استفاده می شود.
رابطه تبخیر و فشار بخار
زمانی که یک کتری آب را حرارت می دهیم، پس از مدتی صدای جوشش آب درون کتری شنیده می شود. درواقع هنگامی که به یک مایع حرارت می دهیم، انرژی جنبشی مولکول های آن مایع افزایش می یابد. این انرژی جنبشی لازم است تا مولکول ها بتوانند بر نیروی که آن ها را در حالت مایع نگه داشته غلبه کنند. با غلبه مولکول های موجود در سطح به مولکول های پایین تر، مایع به گاز تبدیل خواهد شد. بنابراین برای تبدیل مایع به گاز مجموعه ای از مولکول های گازی شکل در بالای مایع تجمع می یابند. این تجمع باعث ایجاد فشاری خواهد شد. این فشار به حدی است که اگر بخار در محفظه های عایق تشکیل شده بود، می توانست موجب تغییر شکل ظرف گردد.
در یک کتری یا ظرف معمولی دیگر محفظه آب عایق بندی نیست. بنابراین وقتی فشار بخار ایجاد شده با فشار هوا برابر شده و آب شروع می کند به جوشیدن. این جوشش با بخار شدن آب همراه است. در نهایت حجم آب مایع در اثر فرآیند بخار و جوشش کاهش می یابد.
تفاوت نقطه جوش و تبخیر
به دمایی که فشار بخار مایع با فشار اطراف مایع برابر است و مایع به بخار تغییر شکل می دهد نقطه جوش می گویند. اما بخار شدن فرایند تغییر مایع به بخار است.
تفاوت اصلی بین نقطه جوش و بخار شدن این است که این فرآیند در سطح مایع صورت می گیرد اما در نقطه جوش، فرآیندتبخیر در کل جرم مایع صورت می پذیرد. تبخیر یک مایع خاص در پایین تر از نقطه جوش هم صورت می پذیرد.
در نقطه جوش در مایع حباب هایی تشکیل می شود. اما این حباب ها در هنگام بخار شدن دیده نمی شوند. درواقع یک اختلاف قابل توجه بین نقطه جوش و تبخیر همین تشکیل حباب است.
در نقطه جوش برای مولکول ها گرما تأمین می شود و از این انرژی گرمایی ایجاد شده برای تشکیل بخار استفاده می گردد. اما این فرآیند نیاز به گرمای خارجی ندارد و در بسیاری از مایعات تبخیر در هر دمایی ممکن است رخ دهد. در فرآیندتبخیر مولکول ها به هم برخورد کرده و انرژی می گیرند. از این انرژی نیز جهت فرار به حالت بخار استفاده می شود.
تبخیر در کشاورزی
در آبیاری گیاهان تعرق و تبخیر نقش مهمی دارند. هدف از آبیاری تامین نمودن آب مورد نیاز گیاه جهت رشد و تعرق است. مسیر جذب آب توسط گیاهان از بستر خاک صورت می پذیرد. بنابراین نمی توان از تبخیر آب از سطح خاک، برای تعیین نیاز آبی گیاه چشم پوشی نمود. پارامترهای بخار شدن و تعرق و تغییرات این دو در طول فصل رشد گیاه مهم است. در ابتدای فصل رشد و قبل از جوانه زنی سطح خاک فاقد هرگونه پوشش گیاهی است. بنابراین تعرق صفر است و فقط فرآیندتبخیر از سطح خاک وجود دارد.
درواقع هر چه رشد گیاهان کامل تر باشد، به دلیل افزایش سایه گیاه بر سطح خاک، فرآیندتبخیر کاهش می یابد. برعکس، تعرق نیز به دلیل گسترش اندام گیاهی افزایش پیدا می کند. بنابراین میزان فرآیندتبخیر و تعرق در دوره رشد گیاه مقدار ثابتی نیست. البته به جز گیاه شرایط محیطی نیز بر میزان فرآیندتبخیر و تعرق موثر است.
در عملیات کشاورزی تأمین به موقع آب مورد نیاز گیاهان یکی از مهم ترین مسائل مرتبط است. در برنامه ریزی آبیاری زمین توجه به مسائل زیر بسیار مهم است.
- تبخیر و تعرق گیاه
- عمق توسعه ریشه گیاه
- ظرفیت نگه داشت آب توسط خاک
مهم ترین پارامتر در برنامه ریزی آبیاری توجه به نیاز آبی گیاه یا همان فرآیندتبخیر و تعرق در طول دوره رشد است. فرآیندتبخیر از آن جهت در گیاهان مهم است که نه تنها بدن انسان ۷۰% آب است، بلکه گیاهان نیز آب فراوانی در ساختار خود دارند. برخی گیاهان مانند تربچه تا ۹۰% از آب پوشیده شده‌اند. بنابراین فرآیندتبخیر در گیاهان از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
بنابراین با در نظر گرفتن نمونه های مختلف این فرآیند، تأثیر این فرآیند بر بدن انسان را نمی توان از یاد برد.
تبخیر و بدن انسان
اگر دمای بدن به ۴۲.۲ درجه سانتی گراد برسد، پروتئین های موجود در خون انسان لخته شده و این امر می تواند منجر به مرگ گردد. دمای بدن انسان به دلایلی مانند عفونت، انجام کار فیزیکی، ورزش یا زمانی که در یک اتاق گرم است می تواند افزایش یابد.
اما بدن انسان سیستم خنک کننده ای به نام تعریق دارد. تعریق را می توان به نوعی تبخیر آب بدن نیز دانست. بدن با کمک این سیستم می تواند موفق به حفظ دمای قابل قبول برای زندگی عادی شود. اگر دمای بدن افزایش یابد، عرق از منافذ پوست آزاد شده و سپس بخار می شود. این فرآیند می تواند به سوزاندن انرژی اضافی نیز کمک نماید. به‌وسیله تعریق بدن خنک شده و دمای تعدیل می گردد.
جامعه مدرن، در تلاش است تا انواع مواد را به خریداران برای خلاص شدن از شر عرق بفروشد. تعریق بدن بدون ایجاد اختلال در عملکرد طبیعی آن غیرممکن است. یک دئودورانت خوب فقط می تواند بوی نامطبوع عرق را بپوشاند. گاهی با کاربرد ضد تعریق ها و انواع پودر ها آسیب های جبران نا پذیری به بدن وارد می شود.
کاربرد تبخیر در صنعت
در صنایع شیمیایی و غذایی، این فرآیند از فرآیندهای ضروری بشمار می آید. این فرآیند نه تنها به کم آبی بسیاری از محصولات کمک می کند، بلکه عمر مفیدشان را نیز افزایش می دهد. از فرآیندتبخیر برای تصفیه مواد مختلف نیز استفاده می شود.
از زمینه های کاربردی دیگر این فرآیند تهویه مطبوع است.
فرآیند استنشاق برخی از دارو ها (استنشاق بخار اشباع شده از دارو) نیز بر اساس این فرآیند است.
عوارض تبخیر
مانند هر فرآیند فیزیکی و شیمیایی دیگری، جنبه های منفی نیز در فرآیندتبخیر وجود دارد. این فرآیند می تواند هم در مواد مفید و هم در مواد کشنده رخ دهد. اگر مواد مضر و کشنده بخار شده و توسط انسان و یا حیوانات استنشاق شوند، می توانند کشنده باشند. غم انگیزترین نکته در رابطه با بخارات سمی نامرئی بودن آن‌هاست. یعنی فرد نمی داند که در معرض مسمومیت قرار دارد.
سخن آخر
با توجه به توضیحات اشاره شده در متن بخار شدن فرآیندی خود به خودی است که در آن هیچ انرژی خارجی تأمین نمی شود. اما برای جوشش باید یک منبع تامین گرمای خارجی اعمال گردد. تفاوت کلیدی بین نقطه جوش و تبخیر این است که این فرآیند بر سطح مایع صورت گرفته و جوشش در توده ماده رخ می دهد و در آن از کل جرم مایع بخار شدن صورت می گیرد.
