جوشیدن: تبدیل مایع به گاز در کل حجم
جوشیدن چیست و چگونه رخ می‌دهد؟
جوشیدن نوع خاصی از تبخیر4 است که برخلاف تبخیر سطحی (مانند خشک شدن لباس‌ها)، در تمام حجم مایع و به طور سریع اتفاق می‌افتد. وقتی به یک مایع گرما می‌دهیم، انرژی جنبشی مولکول‌های آن افزایش می‌یابد. در نقطه‌ای خاص، این انرژی به قدری زیاد می‌شود که مولکول‌ها می‌توانند بر نیروهای بین مولکولی غلبه کرده و از مایع جدا شوند و حباب‌های بخار درون مایع تشکیل دهند.
عوامل مؤثر بر نقطهٔ جوش
نقطهٔ جوش هر ماده به شرایط محیطی و خصوصیات خود ماده بستگی دارد. سه عامل اصلی در تعیین نقطهٔ جوش نقش دارند:
| عامل | تأثیر بر نقطهٔ جوش | مثال عملی |
|---|---|---|
| فشار هوا | با کاهش فشار، نقطهٔ جوش پایین‌تر می‌آید. | پختن غذا در ارتفاعات بالا زمان بیشتری می‌برد زیرا آب در دمای پایین‌تری می‌جوشد (~95 درجه سانتی‌گراد در ارتفاع 2000 متری). |
| نوع ماده (نیروهای بین مولکولی) | موادی با نیروهای بین مولکولی قوی‌تر، نقطهٔ جوش بالاتری دارند. | الکل در 78 درجه سانتی‌گراد می‌جوشد، در حالی که نقطهٔ جوش آب 100 درجه است. |
| وجود ناخالصی (مواد حل‌شده) | افزایش ناخالصی معمولاً نقطهٔ جوش را بالا می‌برد. | آب شور (حاوی نمک) در دمایی بالاتر از 100 درجه سانتی‌گراد می‌جوشد. |
گرمای نهان تبخیر: انرژی پنهان در فرآیند جوش
برای تبدیل یک مایع به گاز در نقطهٔ جوش، حتی پس از رسیدن به آن دما،هنوز نیاز است نیاز به انرژی داریم. این انرژی که به صورت گرما جذب می‌شود، اما دمای سیستم را افزایش نمی‌دهد، گرمای نهان تبخیر3 نام دارد. این انرژی صرف غلبه بر نیروهای بین مولکولی و انجام کار در برابر فشار بیرونی می‌شود.
فرمول محاسبهٔ گرمای مورد نیاز برای جوشیدن یک ماده به صورت زیر است:
که در آن:
$ Q $ = گرمای کل مورد نیاز (بر حسب ژول)
$ m $ = جرم ماده (بر حسب کیلوگرم)
$ L_v $ = گرمای نهان تبخیر (بر حسب ژول بر کیلوگرم)
برای آب، این مقدار تقریباً 2,260,000 J/kg است. یعنی برای تبخیر کامل 1 کیلوگرم آب در حال جوش، به این مقدار انرژی نیاز داریم.
کاربردهای جوشیدن در زندگی و صنعت
جوشیدن تنها یک پدیدهٔ علمی در آزمایشگاه نیست، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در زندگی روزمره و صنایع مختلف دارد.
| حوزه | کاربرد | توضیح |
|---|---|---|
| آشپزی | پخت و پز، ضدعفونی کردن | جوشاندن آب باعث پختن غذا و از بین رفتن بسیاری از میکروب‌ها می‌شود. |
| تولید برق | نیروگاه‌های حرارتی | آب با سوختن زغال‌سنگ یا گاز به جوش آمده و بخار پر فشار آن توربین‌ها را به حرکت درمی‌آورد. |
| صنایع شیمیایی | تقطیر5 و جداسازی | از تفاوت در نقاط جوش برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع استفاده می‌شود (مانند تقطیر نفت خام). |
| سیستم‌های خنک‌کننده | رادیاتور خودرو، سیستم‌های تهویه | مایع خنک‌کننده با جوشیدن، گرمای موتور را جذب کرده و از طریق رادیاتور دفع می‌کند. |
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، در شرایط عادی (فشار ثابت) دمای یک مایع خالص در حال جوش ثابت می‌ماند. تمام انرژی که به آن می‌دهیم صرف فرآیند تبدیل مایع به گاز (گرمای نهان) می‌شود و نه افزایش دما. اگر دماسنج را در آب در حال جوش قرار دهید، همیشه 100 درجه سانتی‌گراد (در سطح دریا) را نشان می‌دهد.
به دلیل کاهش فشار هوا، آب در ارتفاعات بالا در دمای پایین‌تری (مثلاً 95 درجه به جای 100 درجه) به جوش می‌آید. از آنجایی که دما پایین‌تر است، انتقال حرارت به غذا کندتر صورت گرفته و زمان پخت افزایش می‌یابد. برای حل این مشکل از زودپز6 استفاده می‌کنند که با افزایش فشار داخلی، نقطهٔ جوش آب را بالا می‌برد.
خیر. تبخیر یک فرآیند سطحی و آرام است که در هر دمایی رخ می‌دهد (مانند خشک شدن یک луیره آب). اما جوشیدن یک فرآیند حجیم و سریع است که فقط در یک دمای خاص (نقطهٔ جوش) و با تشکیل حباب در تمام حجم مایع اتفاق می‌افتد.
پاورقی
1 جوشیدن (Boiling)
2 نقطهٔ جوش (Boiling Point)
3 گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization)
4 تبخیر (Evaporation)
5 تقطیر (Distillation)
6 زودپز (Pressure Cooker)
