گرانروی: راز جریان بهتر هیدروکربنهای سبک
گرانروی به زبان ساده
اگر تا به حال عسل را با آب مقایسه کرده باشید، متوجه شدهاید که ریختن عسل از یک ظرف به ظرف دیگر چقدر کندتر و سختتر از آب است. این مقاومت در برابر جاری شدن، همان گرانروی3 است. در دنیای نفت و فرآوردههای آن، این مفهوم بسیار مهم است. برخی از این مواد مثل بنزین، روان و سبک هستند و برخی دیگر مانند روغن موتور غلیظتر و برخی مثل قیر بسیار سنگین و جامدمانند. کلید درک این تفاوت، در شناخت خانوادهٔ هیدروکربنها و نیروهایی است که مولکولهای آنها را به هم متصل میکند.
هیدروکربنها: از سبک تا سنگین
همهٔ مواد نفتی از دو عنصر اصلی تشکیل شدهاند: هیدروژن ($H$) و کربن ($C$). به این مواد، هیدروکربن میگوییم. تفاوت اصلی در تعداد اتمهای کربن و هیدروژن و شکل پیوند بین آنهاست. هرچه زنجیرهٔ کربنی یک هیدروکربن کوتاهتر و سبکتر باشد، وزن مولکولی کمتری دارد. برای درک بهتر، به این جدول از فرآوردههای نفتی آشنا نگاه کنید:
| نام فرآورده | وضعیت در دمای اتاق | گرانروی (غلظت) | مثال از کاربرد |
|---|---|---|---|
| گاز طبیعی (متان)4 | گاز |
خیلی کم خیلی سبک
|
سوخت خانه و آشپزخانه |
| بنزین | مایع روان | کم | سوخت خودرو |
| نفت سفید (نفت چراغ) | مایع کمی غلیظتر | متوسط | سوخت بخاریهای قدیمی |
| روغن موتور | مایع غلیظ | زیاد | روغنکاری قطعات خودرو |
| قیر | جامد نیمهجامد |
خیلی زیاد خیلی سنگین
|
آسفالت خیابان |
نیروی ربایش مولکولی؛ کلید اصلی گرانروی
حالا سؤال اصلی اینجاست: چرا بنزین (سبک) روان است اما روغن موتور (سنگین) غلیظ؟ پاسخ در نیروهای نامرئی بین مولکولها نهفته است. مولکولها توسط نیروهای ربایشی به سمت یکدیگر کشیده میشوند. در هیدروکربنهای سبک، مولکولها کوچک و زنجیرههای کربنی کوتاه هستند. این مولکولهای کوچک، سطح تماس کمتری با هم دارند، بنابراین نیروهای ربایش بین آنها ضعیفتر است.
تصور کنید یک گروه از افراد دستهای یکدیگر را گرفتهاند. اگر تعداد افراد کم و فاصلهٔ بین آنها زیاد باشد (شبیه مولکولهای سبک)، میتوانند راحتتر حرکت کنند و از هم جدا شوند. اما اگر زنجیرهٔ انسانی طولانی و فشرده باشد (شبیه مولکولهای سنگین)، حرکت کردن برای کل گروه بسیار سخت و کند خواهد شد. این دقیقاً همان اتفاقی است که در مایعات با گرانروی بالا رخ میدهد.
گرانروی ≈ قدرت نیروهای ربایش بین مولکولی
هرچه مولکولها سبکتر و کوچکتر باشند، نیروهای ربایش ($F$) ضعیفتر و در نتیجه گرانروی ($\eta$) کمتر است.
تأثیر دما بر گرانروی در زندگی روزمره
گرانروی فقط به جنس ماده بستگی ندارد، بلکه دما نیز تأثیر شگفتانگیزی روی آن دارد. با افزایش دما، مولکولها انرژی بیشتری میگیرند و تندتر حرکت میکنند. این حرکت اضافی، بر نیروهای ربایش بین مولکولی غلبه کرده و باعث میشود ماده راحتتر جریان یابد (گرانروی کاهش یابد).
مثال ۱: عسل را در نظر بگیرید. عسل وقتی از یخچال خارج میشود، بسیار سفت و غلیظ است (گرانروی بالا). اما اگر شیشهٔ عسل را در یک کاسه آب گرم قرار دهید، بعد از مدتی رقیق و روان میشود (گرانروی پایین).
مثال ۲: در زمستان، روشن کردن خودرویی که روغن موتور غلیظی دارد سخت است. زیرا روغن سرد، گرانروی بالایی دارد و به راحتی در موتور جریان نمییابد. به همین دلیل است که برای فصول سرد، از روغن موتور با گرانروی خاص (مثلاً 5W-30) استفاده میکنند که در دمای پایین هم روان باشد.
کاربردهای عملی: از پالایشگاه تا خانه
درک رابطهٔ سبکی و گرانروی پایین، در صنعت نفت (پالایشگاه5) بسیار حیاتی است. در پالایشگاه، نفت خام که مخلوطی از هیدروکربنهای سبک و سنگین است، حرارت داده میشود. برج تقطیر6 مانند یک ساطور غولپیکر عمل میکند که نفت خام را بر اساس نقطه جوش و به تبع آن، وزن مولکولی و گرانروی، جدا میکند:
- فرآوردههای سبک با گرانروی کم (مثل گاز و بنزین) در بالای برج جمع میشوند.
- فرآوردههای سنگین با گرانروی بالا (مثل نفت کوره و قیر) در پایین برج باقی میمانند.
در خانه نیز این دانش به کار میآید. وقتی برای چرب کردن قابلمه از روغن مایع (که گرانروی نسبتاً پایینی دارد) به جای روغن جامد (گرانروی بالاتر) استفاده میکنیم، در واقع از مزیت جریانپذیری بهتر هیدروکربنهای سبکتر بهره میبریم.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، معمولاً این رابطه برقرار است. الکل (اتانول) از آب سبکتر است و نیروهای ربایش بین مولکولی در آن ضعیفتر از آب است، در نتیجه گرانروی کمتری هم دارد. اما همیشه استثنا هم وجود دارد. نکتهٔ مهم، توجه به نیروهای ربایش بین مولکولی خاص هر ماده است.
پاسخ: بله، اما نه با تغییر ساختار مولکولی، بلکه با افزایش شدید دما. در کارخانههای آسفالت، قیر را حرارت میدهند تا گرانروی آن به اندازهای کاهش یابد که بتوان آن را با سنگدانهها مخلوط و روی جاده پخش کرد. با سرد شدن دوباره، گرانروی افزایش یافته و جامد میشود.
پاسخ: چون وظیفهٔ روغن موتور، روانکاری و ایجاد یک لایهٔ محافظ بین قطعات فلزی است. بنزین گرانروی بسیار پایینی دارد و نمیتواند این لایهٔ محکم را ایجاد کند، بنابراین قطعات به سرعت دچار ساییدگی میشوند. روغن موتور با گرانروی مناسب، حتی اگر غلیظ باشد، میتواند در فشار و دمای بالا هم از موتور محافظت کند.
پاورقی
1هیدروکربن سبک (Light Hydrocarbon): به هیدروکربنهایی گفته میشود که تعداد اتمهای کربن کمی (معمولاً تا ۵ اتم کربن) دارند و در دمای اتاق اغلب به صورت گاز یا مایع بسیار روان هستند. مانند متان و پروپان.
2نیروهای ربایش بین مولکولی (Intermolecular Attractive Forces): نیروهای جاذبهای هستند که بین مولکولهای یک ماده وجود دارند و بر خواصی مانند نقطه جوش و گرانروی تأثیر میگذارند.
3گرانروی (Viscosity): میزان مقاومت یک سیال (مایع یا گاز) در برابر جاری شدن. واحد رایج آن در سیستم بینالمللی پاسکال-ثانیه (Pa·s) است.
4متان (Methane): سادهترین هیدروکربن با فرمول شیمیایی $CH_4$ که جزء اصلی گاز طبیعی است.
5پالایشگاه (Refinery): کارخانه یا مجموعهای صنعتی که در آن نفت خام به فرآوردههای مفیدتری مانند بنزین، نفت سفید و گازوئیل تبدیل میشود.
6برج تقطیر (Distillation Column): دستگاهی در پالایشگاه که با استفاده از اختلاف نقطه جوش، اجزای مختلف نفت خام را از هم جدا میکند.
