نقطه جوش: نبرد پنهان مولکولها برای رهایی
تبخیر، فشار بخار و رسیدن به نقطه جوش
برای فهمیدن نقطه جوش، اول باید بدانیم تبخیر3 چیست. مولکولهای یک مایع همیشه در حال حرکت هستند. برخی از این مولکولها که انرژی بیشتری دارند، میتوانند از سطح مایع بگریزند و به صورت گاز درآیند. به این پدیده «تبخیر» میگویند. حالا فرض کنید یک لیوان آب را در اتاق بگذارید. مولکولهای آب تبخیر میشوند و فضای بالای لیوان را پر میکنند. این مولکولهای گازی، بر دیوارههای ظرف و سطح آب فشار وارد میکنند. به این فشار، «فشار بخار اشباع»4 میگویند.
با گرم کردن مایع، جنبش مولکولها بیشتر شده و تعداد بیشتری میتوانند فرار کنند. در نتیجه، فشار بخار اشباع افزایش مییابد. نقطه جوش، دقیقاً دمایی است که در آن، فشار بخار اشباع مایع با فشار هوای محیط (فشار اتمسفر) برابر میشود. در این لحظه، نه تنها از سطح، بلکه از درون مایع نیز حبابهای بخار تشکیل میشوند و مایع میجوشد.
وقتی این برابری برقرار شد، دمای مایع برابر با نقطه جوش آن در آن فشار خاص است.
چرا نقطه جوش آب 100 درجه سانتیگراد است؟ (فشار استاندارد)
عدد معروف 100°C برای نقطه جوش آب، فقط در شرایط خاصی درست است: فشار استاندارد5 که برابر با فشار هوا در سطح دریای آزاد است (فشار 1 اتمسفر یا 101.3 کیلوپاسکال). در این فشار، فشار بخار اشباع آب در دمای 100°C دقیقاً با فشار هوا برابر میشود. پس آب میجوشد.
| محل یا شرایط | فعالیت | فشار هوا (تقریبی) | نقطه جوش آب |
|---|---|---|---|
| سطح دریا (تهران) | پخت معمولی غذا | ~1 atm | ~100 °C |
| شهر کوهستانی (مثل آلماستو) | پختن غذا زمان بیشتری میبرد | ~0.8 atm | ~93 °C |
| قله اورست | آب زود میجوشد اما غذا نمیپزد | ~0.3 atm | ~70 °C |
| زودپز (زمان پخت) | پخت سریع غذا | ~2 atm | ~120 °C |
نقش نیروهای بین مولکولی و جدول نقطه جوش مواد مختلف
نقطه جوش فقط به فشار بستگی ندارد، بلکه به نوع ماده هم وابسته است. دلیل اصلی این تفاوت، قدرت نیروهای بین مولکولی6 است. هرچه مولکولهای یک مایع قویتر به هم جذب شوند، برای جدا شدن و تبدیل به گاز نیاز به انرژی بیشتری دارند، یعنی باید بیشتر گرم شوند. پس نقطه جوش بالاتری خواهند داشت.
مثال: روغن غذا نقطه جوش بسیار بالاتری از آب دارد زیرا مولکولهای بزرگتر و نیروهای بین مولکولی قویتری دارد. الکل نیز نیروهای بین مولکولی ضعیفتری از آب دارد، بنابراین در دمای پایینتری (78.37°C) میجوشد.
| نام ماده | نقطه جوش (°C) | نکته کاربردی |
|---|---|---|
| هلیوم (He) | -268.93 | پایینترین نقطه جوش شناخته شده |
| اتانول (الکل اتیلیک) | 78.37 | در ساخت ضدعفونیکننده و نوشیدنی |
| آب (H2O) | 100.00 | مرجع استاندارد |
| روغن زیتون | ~300 | برای سرخ کردن غذا مناسب است |
| جیوه (Hg) | 356.7 | در ساخت دماسنجهای قدیمی |
بکارگیری مفهوم نقطه جوش در فناوری و زندگی روزمره
مهندسان و دانشمندان با درک رابطه بین فشار و نقطه جوش، دستگاههای مفیدی ساختهاند:
زودپز (Pressure Cooker): با ایجاد محیطی بسته و افزایش فشار داخلی، نقطه جوش آب را تا حدود 120°C بالا میبرد. غذا در دمای بالاتر و سریعتر پخته میشود. عکس این قضیه در آب جوش کن برقی کوهنوردی دیده میشود که با ایجاد خلأ نسبی، نقطه جوش آب را پایین آورده و با مصرف انرژی کمتر آب را گرم میکنند.
دستگاه تقطیر7: از تفاوت نقطه جوش مواد برای جداسازی آنها استفاده میکند. مثلاً در پالایشگاه، نفت خام را گرم میکنند. مواد سبکتر با نقطه جوش پایینتر (مثل بنزین) زودتر تبخیر میشوند و پس از سرد کردن، جمعآوری میگردند.
سیستم خنککننده خودرو: مایع خنککننده (ضدیخ + آب) نقطه جوشی بالاتر از آب خالص دارد. این کار از جوش آوردن آب درون رادیاتور در دمای موتور (حدود 90-110°C) جلوگیری میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. وقتی آب شروع به جوشیدن میکند، تمام انرژی حرارتی که به آن میدهیم صوی تبخیر مولکولهای آب میشود، نه افزایش دمای آن. بنابراین تا زمانی که تمام آب تبخیر نشده، دما ثابت میماند (در همان نقطه جوش). این یک توقف دمایی است.
پاسخ: تبخیر یک پدیده سطحی است که در هر دمایی و فقط از سطح مایع رخ میدهد (مانند خشک شدن لباس). اما جوشیدن یک پدیده حجمی است که در دمای خاصی (نقطه جوش) و با تشکیل حباب از درون مایع اتفاق میافتد.
پاسخ: بله، اما نه با گرم کردن! اگر فشار محیط را به اندازه کافی کاهش دهیم، میتوان نقطه جوش آب را به دمای اتاق رساند. در خلأ بسیار قوی، آب در دمای 20°C هم میجوشد. این پدیده در آزمایشگاه با استفاده از پمپ خلأ قابل نمایش است.
پاورقی
1 فشار بخار (Vapor Pressure): فشاری که بخارهای بالای یک مایع در حالت تعادل بر سطح آن وارد میکنند.
2 نقطه جوش (Boiling Point).
3 تبخیر (Evaporation).
4 فشار بخار اشباع (Saturated Vapor Pressure).
5 فشار استاندارد (Standard Pressure).
6 نیروهای بین مولکولی (Intermolecular Forces).
7 تقطیر (Distillation).
