نقطه جوش: گذر از مایع به بخار
نقطه جوش چیست و چگونه اتفاق میافتد؟
وقتی یک قابلمه آب را روی اجاق میگذارید، پس از مدتی حبابهایی در آن تشکیل شده و به جوش میآید. این اتفاق در دمای خاصی رخ میدهد که برای آب خالص در سطح دریا، 100 درجه سانتیگراد است. اما دلیل علمی این پدیده چیست؟
همه مایعات تمایل دارند به حالت گاز تبدیل شوند که به این فرآیند تبخیر۳ میگویند. مولکولهای سطح مایع دائماً در حال فرار به هوا هستند و فشاری را ایجاد میکنند که فشار بخار۲ نامیده میشود. با افزایش دما، انرژی مولکولها بیشتر شده و فشار بخار افزایش مییابد. نقطه جوش۱ دقیقاً دمایی است که در آن، فشار بخار مایع با فشار هوای بالای آن (فشار محیط) برابر میشود. در این لحظه، تبخیر نه فقط در سطح، بلکه در عمق مایع نیز رخ میدهد و حبابهای بخار تشکیل میشوند. به عبارت سادهتر، وقتی فشار داخل حباب با فشار بیرون برابر شود، حبابها میتوانند بزرگ شده و به سطح بیایند و ما آن را به صورت جوشیدن میبینیم.
چه عواملی بر نقطه جوش تأثیر میگذارند؟
نقطه جوش یک ماده ثابت نیست و تحت تأثیر چند عامل مهم تغییر میکند. درک این عوامل به ما کمک میکند تا پدیدههای مختلفی را توضیح دهیم.
| عامل | تأثیر | مثال عملی |
|---|---|---|
| نوع ماده و نیروی بین مولکولی۴ | هرچه نیروی جاذبه بین مولکولهای یک مایع قویتر باشد، برای جدا کردن آنها و تبدیل به گاز نیاز به انرژی بیشتری است؛ بنابراین نقطه جوش بالاتر میرود. | نقطه جوش آب (100°C) از نقطه جوش الکل (78°C) بیشتر است چون پیوندهای هیدروژنی۵ در آب قویترند. |
| فشار محیط | با کاهش فشار (مثلاً در ارتفاعات)، فشار بخار زودتر به فشار محیط میرسد، پس نقطه جوش پایین میآید. با افزایش فشار (مثلاً در زودپز)، نقطه جوش بالا میرود. | در شهر تهران (ارتفاع ~1200 متری) آب در حدود 95°C میجوشد. در زودپز، آب ممکن است تا 120°C گرم شود. |
| ناخالصیها (مواد حلشده) | افزودن یک ماده غیرفرار مثل نمک یا شکر به آب، نقطه جوش آن را افزایش میدهد. این پدیده ارتفاع نقطه جوش۶ نام دارد. | برای پخت ماکارونی، مقداری نمک به آب اضافه میکنند. این کار نقطه جوش آب را کمی بالا برده و پخت سریعتر و یکنواختتر میشود. |
نقطه جوش مخلوطها و جداسازی مواد
مایعات خالص نقطه جوش ثابتی دارند، اما مخلوطها (مانند بنزین یا الکل و آب) در یک محدوده دمایی میجوشند. این ویژگی پایه یک روش مهم جداسازی به نام تقطیر۷ است. در تقطیر، مخلوط حرارت داده میشود. جزئی که نقطه جوش پایینتری دارد، زودتر بخار شده و از دستگاه خارج میشود. سپس این بخار در محلی دیگر سرد شده و به مایع تبدیل میگردد. پالایشگاههای نفت از برجهای تقطیر غولپیکری استفاده میکنند تا نفت خام را بر اساس نقاط جوش مختلف به محصولاتی مانند بنزین، نفت سفید و گازوئیل تفکیک کنند.
مثال سادهتر، تولید عرقهای گیاهی مانند عرق نعنا است. با جوشاندن مخلوط آب و برگ نعنا، ابتدا ترکیبات معطر نعنا که نقطه جوشی نزدیک به آب دارند، همراه با بخار آب خارج شده و پس از سرد شدن، عرق نعنا به دست میآید.
نقش نقطه جوش در زندگی و صنعت
نقطه جوش تنها یک مفهوم کتابی نیست؛ کاربردهای فراوانی در زندگی روزمره و صنعت دارد.
پخت و پز: همانطور که گفته شد، استفاده از نمک برای بالا بردن نقطه جوش آب یا استفاده از زودپز برای پخت سریعتر غذا با افزایش فشار و در نتیجه افزایش نقطه جوش آب، نمونههایی مستقیم هستند. در کوهنوردی، به دلیل پایین بودن نقطه جوش آب، پختن غذا زمان بیشتری میبرد.
خنککاری موتورها: در رادیاتور خودرو از آب (که نقطه جوش نسبتاً بالایی دارد) به عنوان مایع خنککننده استفاده میشود. برای جلوگیری از جوش آوردن آب در دمای موتور، فشار سیستم را بالا میبرند و نیز از مادهای به نام ضدیخ (اتیلنگلیکول) استفاده میکنند که هم نقطه جوش مخلوط را بالا میبرد و هم نقطه انجماد آن را پایین میآورد.
استریلکردن: در پزشکی، بسیاری از ابزارها را با جوشاندن در آب (حدود 100°C) یا استفاده از دستگاههای اتوکلاو۸ که با افزایش فشار، آب را تا حدود 121°C گرم میکنند، استریل و ضدعفونی میکنند.
تولید نوشیدنیها: در صنعت تولید مشروبات الکلی و آبهای معدنی، از فرآیند تقطیر برای جداسازی و خالصسازی استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
۱ نقطه جوش (Boiling Point)
۲ فشار بخار (Vapor Pressure)
۳ تبخیر (Evaporation)
۴ نیروی بین مولکولی (Intermolecular Force)
۵ پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond)
۶ ارتفاع نقطه جوش (Boiling Point Elevation)
۷ تقطیر (Distillation)
۸ اتوکلاو (Autoclave): دستگاهی برای استریل کردن با بخار تحت فشار.
۹ گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization)
