فشار بخار: نیروی نامرئی درون ظرفها
فشار بخار چیست و چگونه ایجاد میشود؟
برای درک فشار بخار، ابتدا باید مفهوم تبخیر[3] را مرور کنیم. همهی مایعات از مولکولهای ریز و در حال جنبشی تشکیل شدهاند. این مولکولها دائماً در حال حرکت و برخورد با یکدیگر هستند. در سطح مایع، بعضی از این مولکولها انرژی کافی کسب میکنند تا از نیروی جاذبه بین مولکولی[4] فرار کرده و به فضا بالای مایع پرواز کنند. این فرآیند را تبخیر مینامند. مولکولهایی که تبخیر شدهاند، حالتی گازی به خود میگیرند و به آنها بخار میگوییم.
حالا فرض کنید یک ظرف دربسته، نیمهپر از آب را در نظر بگیریم. مولکولهای آب تبخیر میشوند و فضای خالی بالای مایع (فضای بخار) را پر میکنند. این مولکولهای بخار با سرعت بالا حرکت کرده و مدام به دیوارههای ظرف برخورد میکنند. مجموع نیروی این برخوردها در واحد سطح، همان فشار بخار است. پس فشار بخار، فشاری است که بخار یک مایع خاص بر دیوارههای ظرف خود وارد میکند.
| نام مایع | فشار بخار تقریبی (کیلوپاسکال) | توضیح و مثال |
|---|---|---|
| اتانول (الکل)[5] | 5.8 | زودتر تبخیر میشود. دلیل سریع خشک شدن ضدعفونیکنندههای الکلی. |
| آب | 2.3 | متوسط. لباسهای خیس در هوای آزاد به آرامی خشک میشوند. |
| جیوه | 0.00016 | بسیار کم. به همین دلیل در ساخت دماسنجها از آن استفاده میشود. |
تأثیر دما بر فشار بخار: رابطهای مستقیم و قدرتمند
دما مهمترین عامل مؤثر بر فشار بخار است. با افزایش دما، انرژی جنبشی مولکولهای مایع بیشتر میشود. در نتیجه، تعداد بیشتری از آنها انرژی کافی برای فرار از سطح مایع را پیدا میکنند. این امر دو نتیجه دارد: اول، سرعت تبخیر افزایش مییابد. دوم، تعداد مولکولهای بخار در فضای بالای مایع بیشتر شده، در نتیجه برخوردهای بیشتری با دیوارهها رخ داده و فشار بخار افزایش مییابد.
یک آزمایش ساده: اگر یک لیوان آب سرد و یک لیوان آب گرم را کنار هم در یک اتاق قرار دهید، آب گرم زودتر خشک میشود. چرا؟ زیرا فشار بخار آب گرم در همان دمای اولیه بیشتر است و مولکولهای آب با سرعت بیشتری وارد فاز گاز میشوند.
تعادل دینامیکی: زمانی که تبخیر و میعان با هم مساوی میشوند
تا اینجا فقط از تبخیر صحبت کردیم. اما مولکولهای بخار موجود در فضای بالای مایع نیز میتوانند دوباره به سطح مایع برگشته و به آن بپیوندند. این فرآیند معکوس را میعان[6] مینامند.
در یک ظرف دربسته، ابتدا سرعت تبخیر زیاد است چون هیچ بخاری در فضا نیست. به تدریج که تعداد مولکولهای بخار افزایش مییابد، سرعت میعان نیز بیشتر میشود. سرانجام، لحظهای فرا میرسد که سرعت تبخیر و سرعت میعان دقیقاً با هم برابر میشوند. در این حالت، تعداد مولکولهای بخار در فضا ثابت میماند و در نتیجه فشار بخار نیز ثابت میشود. به این حالت ویژه، تعادل دینامیکی میگویند. در تعادل دینامیکی، مایع به نظر میرسد که دیگر تبخیر نمیشود، در حالی که هر دو فرآیند به طور همزمان و با سرعت برابر در جریان هستند.
نقطه جوش: مبارزه فشار بخار با فشار هوا
حال به یک مفهوم بسیار مهم میرسیم: نقطه جوش[7]. نقطه جوش یک مایع، دمایی است که در آن، فشار بخار آن مایع با فشار هوای اطراف (فشار جو) برابر میشود. در این دما، بخار نه فقط در سطح، بلکه در درون مایع نیز میتواند حباب تشکیل دهد و مایع به جوش میآید.
مثال: در سطح دریا (فشار جو ~101.3 کیلوپاسکال)، فشار بخار آب در دمای 100 °C به همین مقدار میرسد، پس آب در 100 °C میجوشد. اما در قله کوه اورست که فشار هوا کمتر است، فشار بخار آب در دمای پایینتری (حدود 70 °C) با فشار جو برابری میکند، پس آب در آنجا زودتر و در دمای پایینتری به جوش میآید. این دقیقاً دلیل دیرپز شدن غذا در ارتفاعات است!
فشار بخار در عمل: از خشک کردن لباس تا پیشبینی هوا
فشار بخار یک مفهوم انتزاعی نیست، بلکه هر روزه با آن سروکار داریم:
خشک کردن لباس: وقتی لباس خیس را در هوای آزاد پهن میکنیم، چون فشار بخار آب در سطح لباس از فشار جزئی[8] بخار آب در هوا بیشتر است، مولکولهای آب از لباس خارج شده و در هوا پخش میشوند (تبخیر). اگر رطوبت هوا زیاد باشد (فشار جزئی بخار آب هوا بالا)، این فرآیند کندتر میشود.
تعریق و خنکشدن بدن: عرق کردن یک مکانیسم خنککننده مبتنی بر فشار بخار است. عرق با استفاده از گرمای بدن تبخیر میشود. برای تبخیر هر مولکول عرق، مقداری انرژی گرمایی از پوست گرفته میشود و بدن خنک میشود.
هواشناسی: مفهوم رطوبت نسبی[9] مستقیماً به فشار بخار مرتبط است. رطوبت نسبی، نسبت فشار بخار آب موجود در هوا به فشار بخار آب در حالت اشباع در همان دما است. وقتی رطوبت نسبی به 100% میرسد (فشار بخار برابر با فشار بخار اشباع)، هوای دیگر نمیتواند بخار آب بیشتری در خود نگه دارد و میعان اتفاق افتاده و ابر یا شبنم تشکیل میشود.
پخت و پز با زودپز: در زودپز با ایجاد محیطی بسته و افزایش فشار، نقطه جوش آب به بالای 100 °C میرسد. غذای داخل آن در دمای بالاتری پخته میشود و در نتیجه زمان پخت کاهش مییابد.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: فشار بخار یک مایع خالص در دمای معین، مستقل از حجم ظرف است. چه در یک بطری کوچک و چه در یک مخزن بزرگ، در دمای یکسان، فشار بخار در حالت تعادل یکسان خواهد بود. حجم بیشتر فقط باعث میشود تعداد کل مولکولهای بخار بیشتر شود تا به همان فشار مشخص برسند.
پاسخ: بله، کاملاً درست است. در شرایط خلاء (فشار نزدیک به صفر)، فشار بخار آب حتی در دمای اتاق (مثلاً 25 °C) از فشار محیط بیشتر میشود. طبق تعریف نقطه جوش، آب در آن دما شروع به جوشیدن میکند. این یک آزمایش جالب است که نشان میدهد نقطه جوش یک مقدار مطلق نیست، بلکه به فشار محیط وابسته است.
پاسخ: وقتی آب داغ است، فشار بخار آب و فشار هوای داخل ظرف زیاد است. با بستن درب و سرد شدن محتویات، بخار آب داخل ظرف میعان پیدا میکند و به آب تبدیل میشود. از آنجایی که حجم بخار آب مایع شده بسیار کمتر است، تعداد مولکولهای گاز داخل ظرف به شدت کاهش یافته و فشار داخلی به زیر فشار هوای بیرون میرسد. در نتیجه فشار هوای بیرون (اتمسفر) به درب ظرف نیرو وارد کرده و آن را به داخل میفشارد.
پاورقی
[1] فشار بخار: Vapor Pressure - فشاری که توسط بخار یک ماده در حالت تعادل با فاز مایع یا جامد آن در یک دمای معین اعمال میشود.
[2] تعادل دینامیکی: Dynamic Equilibrium - حالتی که در آن دو فرآیند معکوس (مانند تبخیر و میعان) با سرعت برابر رخ میدهند و ویژگیهای ماکروسکوپی سیستم ثابت به نظر میرسند.
[3] تبخیر: Evaporation - فرآیند تبدیل مایع به گاز که در هر دمایی از سطح مایع اتفاق میافتد.
[4] نیروی جاذبه بین مولکولی: Intermolecular Force - نیروهای جاذبهای که بین مولکولها وجود دارد و نگهدارندهی حالتهای مختلف ماده است.
[5] اتانول: Ethanol - نوعی الکل که در نوشیدنیهای الکلی و ضدعفونیکنندهها وجود دارد.
[6] میعان: Condensation - فرآیند تبدیل گاز یا بخار به مایع.
[7] نقطه جوش: Boiling Point - دمایی که در آن فشار بخار مایع برابر با فشار محیط میشود و جوشش در سرتاسر مایع رخ میدهد.
[8] فشار جزئی: Partial Pressure - فشاری که اگر یک گاز به تنهایی حجم مخلوط گازی را پر میکرد، اعمال میکرد.
[9] رطوبت نسبی: Relative Humidity - نسبت مقدار بخار آب موجود در هوا به حداکثر مقدار بخار آبی که هوا در همان دما میتواند در خود نگه دارد.
