تبخیر: سفر پنهان آب
تبخیر در زندگی روزمره
همه ما تبخیر را دیده‌ایم، حتی اگر نام آن را ندانیم. وقتی پس از شنا کردن، بدن‌تان در هوای آزاد خشک می‌شود، یا وقتی که یک луوه آب روی میز آشپزخانه ناپدید می‌گردد، در حال مشاهده‌ی تبخیر هستید. این فرآیند در واقع فرار مولکول‌های آب از سطح مایع به هوای اطراف است. برای درک بهتر، تصور کنید مولکول‌های آب مانند گروهی از افراد در یک سالن هستند. برخی از آن‌ها انرژی بیشتری دارند و می‌توانند از سالن خارج شوند. گرما مانند پولی است که به این افراد داده می‌شود تا انرژی لازم برای خروج را پیدا کنند. هرچه گرمای بیشتری (پول بیشتری) وجود داشته باشد، افراد بیشتری (مولکول‌های آب) می‌توانند سالن (سطح آب) را ترک کنند.
عوامل مؤثر بر سرعت تبخیر
سرعت تبخیر ثابت نیست و به چند عامل مهم بستگی دارد. این عوامل می‌توانند تبخیر را سریع‌تر یا کندتر کنند.
| عامل | تأثیر | مثال عینی |
|---|---|---|
| دما | با افزایش دما، انرژی مولکول‌ها بیشتر شده و تبخیر سریع‌تر می‌شود. | خشک شدن لباس‌ها در آفتاب نسبت به سایه |
| مساحت سطح | هرچه سطح تماس آب با هوا بیشتر باشد، تبخیر سریع‌تر رخ می‌دهد. | تبخیر سریع‌تر آب از یک بشقاب پهناور نسبت به یک لیوان |
| جریان هوا (باد) | باد مولکول‌های بخار آب را از سطح دور کرده و فضای خالی برای تبخیر بیشتر ایجاد می‌کند. | خشک شدن سریع‌تر لباس در روزهای بادی |
| رطوبت هوا | هرچه هوا مرطوب‌تر باشد، فضای کمتری برای پذیرش بخار آب جدید دارد و تبخیر کند می‌شود. | خشک نشدن لباس‌ها در هوای شرجی و مرطوب |
تبخیر و چرخه آب در طبیعت
تبخیر موتور محرک چرخه آب در کره زمین است. انرژی خورشید باعث تبخیر آب از اقیانوس‌ها، دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و حتی از سطح خاک و گیاهان می‌شود. این بخار آب سبک است و به سمت بالا حرکت می‌کند. در ارتفاعات بالاتر جو، هوا سرد است و این بخار آب سرد شده و به قطرات ریز آب یا بلورهای یخ تبدیل می‌شود. این فرآیند میعان6 نام دارد و نتیجه آن تشکیل ابرها است. وقتی این قطرات به اندازه کافی بزرگ شوند، به صورت باران، برف یا تگرگ به زمین بازمی‌گردند و چرخه تکرار می‌شود. بدون تبخیر، هیچ بارانی نمی‌بارید و زندگی به شکلی که می‌شناسیم وجود نداشت.
تبخیر و تنظیم دمای بدن
بدن انسان نیز از تبخیر برای خنک کردن خود استفاده می‌کند. وقتی ورزش می‌کنیم یا در محیط گرمی قرار داریم، بدن‌مان عرق می‌کند. این عرق که عمدتاً از آب تشکیل شده است، روی پوست پخش می‌شود. هنگامی که این آب تبخیر می‌شود، برای تغییر از حالت مایع به گاز، به انرژی گرمایی نیاز دارد. این انرژی گرمایی را مستقیماً از پوست ما می‌گیرد. در نتیجه، پوست خنک‌تر می‌شود. این یک سیستم خنک‌کننده طبیعی و بسیار کارآمد است. به همین دلیل است که در روزهای مرطوب که تبخیر عرق کند است، احساس گرمای بیشتری می‌کنیم.
تفاوت تبخیر با جوشیدن
بسیاری از افراد تبخیر و جوشیدن7 را یکی می‌دانند، اما این دو تفاوت اساسی دارند. تبخیر یک فرآیند سطحی است که در هر دمایی رخ می‌دهد، حتی در دمای اتاق. فقط مولکول‌هایی که در سطح مایع هستند و انرژی کافی دارند، می‌توانند تبخیر شوند. اما جوشیدن یک فرآیند حجمی است که تنها در یک دمای خاص (مثلاً 100 درجه سانتی‌گراد برای آب در سطح دریا) اتفاق می‌افتد. در این دما، فشار بخار مایع با فشار هوای اطراف برابر شده و حباب‌های بخار در تمام حجم مایع تشکیل می‌شوند و به سطح می‌آیند.
این رابطه را می‌توان با فرمول ساده‌ای نشان داد. انرژی مورد نیاز برای تبخیر یک گرم آب، گرمای نهان تبخیر8 نام دارد و برای آب حدود 2260 ژول بر گرم است. این مقدار انرژی بسیار بیشتر از انرژی مورد نیاز برای گرم کردن آب از 0 تا 100 درجه سانتی‌گراد است!
که در آن:
$ Q $ = انرژی کل مورد نیاز (ژول)
$ m $ = جرم آب (گرم)
$ L_v $ = گرمای نهان تبخیر آب (ژول بر گرم)
کاربردهای تبخیر در صنعت و کشاورزی
انسان از دیرباز از پدیده تبخیر استفاده‌های عملی کرده است. یکی از قدیمی‌ترین کاربردها، تولید نمک از آب دریا است. با هدایت آب دریا به حوضچه‌های کم‌عمق و گسترده و استفاده از انرژی خورشید، آب تبخیر شده و بلورهای نمک بر جای می‌مانند. در کشاورزی مدرن، تبخیر معیاری مهم برای محاسبه نیاز آبی گیاهان است. با دانستن میزان تبخیر از سطح خاک و تعرق از برگ گیاهان، کشاورزان می‌توانند بهینه‌ترین زمان و مقدار آبیاری را تعیین کنند و در مصرف آب صرفه‌جویی بزرگی انجام دهند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. تبخیر در هر زمانی که انرژی گرمایی کافی وجود داشته باشد رخ می‌دهد. حتی در شب، اگر هوا به اندازه کافی گرم باشد و رطوبت هوا کم باشد، تبخیر ادامه دارد، اما سرعت آن معمولاً کمتر از روز است.
خیر، آنچه ما به عنوان "بخار" از روی یک فنجان چای داغ می‌بینیم، در واقع بخار آب نیست، بلکه قطرات ریز آب مایع هستند که در اثر میعان بخار آب نامرئی در هوای سردتر تشکیل شده‌اند. خود بخار آب کاملاً نامرئی است.
در ارتفاعات، فشار هوا کمتر است، بنابراین آب در دمای پایین‌تری (مثلاً 95 درجه سانتی‌گراد) به جوش می‌آید. اما پختن غذا نیاز به انتقال حرارت دارد و چون دمای آب جوش در ارتفاعات پایین‌تر است، انرژی گرمایی کمتری به غذا منتقل شده و زمان پخت طولانی‌تر می‌شود. این موضوع ربطی به تبخیر سطحی ندارد و مربوط به نقطه جوش است.
پاورقی
1 تبخیر (Evaporation)
2 انرژی گرمایی (Thermal Energy)
3 باد (Wind)
4 رطوبت (Humidity)
5 چرخه آب (Water Cycle)
6 میعان (Condensation)
7 جوشیدن (Boiling)
8 گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization)