اگر با پدیده تبخیر، آشنایی نداشته باشید، احتمالا خارج شدن دود از کتری هنگام جوشیدن آب یا خشک شدن لباسهای خیس پس از پهن کردن روی بند رخت، برایتان یک شعبدهبازی جالب به نظر میرسد! در این مقاله به طور جامع به بررسی فرآیند تبخیر میپردازیم و پس از بیان چیستی این رخداد فیزیکی، درباره انواع آن و عوامل موثر بر آن صحبت خواهیم کرد.
تعریف تبخیر به زبان ساده
پدیدهی تبخیر مایعات، بهخصوص تبخیر آب، یکی از اتفاقات مهمی است که هر روز در کره زمین به وقوع میپیوندد. این فرآیند، 90 درصد رطوبت موجود در جو زمین را تشکیل میدهد (10 درصد مابقی حاصل از تعرق گیاهان است).
نوشیدن یک فنجان چای داغ، در حالی که ستونی از بخار از سطح آن، خارج و در فضای اطراف محو میشود، تجربهای بسیار لذت بخش است. پس اگر از طرفداران چای باشید، بارها و بارها با فرآیند تبخیر روبهرو شدهاید. به زبان بسیار ساده، همین تبدیل مایع به بخار (گاز) را تبخیر میگوییم. به طور خلاصه، وقتی آب موجود در فنجان چای، گرما میگیرد تبدیل به ستونی از بخار شده و از سطح فنجان خارج میشود.
اگر بخواهیم کمی دقیقتر در رابطه با این که تبخیر چیست؟ صحبت کنیم، تبخیر در هر دمایی صورت میگیرد اما با افزایش بیشتر دما، مولکولهای بیشتری میتوانند انرژی جنبشی خود را افزایش دهند و با کاهش نیروی جاذبه بین مولکولی، خود را از سطح مایع جدا کرده و به حالت ایدهآل گازی برسانند.
به عبارتی وقتی جاذبه بین مولکولی کم شود، مولکولها فرار را بر قرار ترجیح میدهند و با شدت بیشتری از یکدیگر دور میشوند. در واقع این مولکولها چارهای جز فرار از سطح مایع و ورود به هوا ندارند. در دماهای بالاتر نیز خروج گروه زیادی از مولکولها به شکل ابر، در بالای ظرف آب داغ، مشاهده میشود.
اولین نفری باشید که از اخبار و اطلاعیههای مرتبط با پایه تحصیلیتان باخبر میشود!
چرا تبخیر مهم است؟
با تغییرات اقلیمی و افزایش خشکسالیها، اهمیت تبخیر در مدیریت منابع آب و پیشبینیهای جوی بیش از گذشته احساس میشود. تبخیر نهتنها نقش اصلی در چرخه آب و تامین رطوبت جو دارد، بلکه بخش زیادی از انرژی خورشیدی را مصرف میکند و بر دمای سطح زمین و شکلگیری الگوهای آبوهوایی تاثیر میگذارد. در ادامه به نقش تبخیر در چرخه آب و تاثیر آن در سرمایش میپردازیم.
تبخیر و نقش مهم آن در چرخه آب
در چرخه آب، فرآیند تبخیر هنگامی رخ میدهد که نور خورشید سطح آب را گرم میکند. گرمای خورشید باعث افزایش سرعت حرکت مولکولهای آب میشود. این امر تا زمانی ادامه مییابد که این مولکولها با سرعت زیاد حرکت نموده و به صورت گاز فرار میکنند. پس از تبخیر، یک مولکول بخار آب حدود ده روز در هوا میماند.
شروع سرد شدن بخار آب پس از با بالا رفتن آن در جو، رخ میدهد. وقتی که سرد شدن به اندازه کافی صورت گرفت، بخار آب متراکم شده و به آب مایع تبدیل میشود. این قطرات آب در نهایت برای تشکیل ابر و بارش جمع خواهند شد. ابرها در نهایت به مناطق مختلف زمین منتقل شده و بارشهایی را پدید میآورند که منبع تغذیه رودخانهها، دریاچهها و نهرها با آب شیرین هستند.
به این ترتیب، بخش زیادی از آب شیرین موجود در طبیعت، نتیجه فرآیند تبخیر از سطح اقیانوسها است. با توجه به اینکه بیش از 70 درصد سطح کره زمین را اقیانوسها در بر گرفتهاند، این منابع عظیم، نقش اصلی را در تامین رطوبت جو ایفا میکنند.
سرمایش با تبخیر
وقتی مایعی مانند آب یا الکل بخار میشود، گرمای لازم برای این تغییر حالت را از محیط اطرافش میگیرد. همین موضوع باعث میشود که دمای محیط کاهش پیدا کند. احتمالا این حالت را هنگام استفاده از پد الکلی روی پوستتان تجربه کردهاید؛ سرمایی را احساس میکنید که در نتیجه تبخیر سریع الکل و جذب گرمای سطح پوست است.
در نواحی گرم و مرطوب، میتوانیم از این ویژگی طبیعی برای خنک کردن هوا استفاده کنیم. در واقع دستگاههای سرمایش تبخیری در چنین شرایطی، در حین افزایش رطوبت هوا میتوانند به طور قابلتوجهی دمای هوا را کاهش دهند. اگرچه به نظر میرسد که این نوع از خنک کنندهها بیشتر در مناطق خشک عملکرد بهتری دارند. این محصولات در مقایسه با کولرهای گازی، مصرف انرژی کمتری دارند و در نتیجه به عنوان گزینهای اقتصادی و کارآمد برای مناطق خشک معرفی میشوند.
مثال هایی از تبخیر در زندگی روزمره
از نمونههای تبخیر در زندگی روزمره عبارتند از:
- خشک شدن دست و صورت: خشک شدن خودبهخودی دست و صورت پس از شستشوی آنها، نمونهای از فرآیند بخارش است.
- خشک شدن لباسها: خشک شدن لباس های خیس از دیگر انواع مثال برای تبخیر کلاس سوم است.
- خشک شدن رنگها: خشک شدن رنگ بر بوم نقاشی، خشک شدن رنگ بر دیوار خانه و خشک شدن کوزهها و اشیای سفالی در کوره، نیز از نمونه تبخیرهایی است که به طور روزمره با آنها روبهرو میشویم.
- پخت و پز و تهیه میوه خشک: پخت انواع نان و غذا و خشک کردن میوهها با دستگاه خشککن، از دیگر موارد تبدیل مایع به بخار در زندگی روزمره است.
- کشاورزی: فرآیند تبدیل مایع به بخار در گیاهان بسیار مهم است زیرا 70 تا 90 درصد از وزن گیاهان را آب تشکیل میدهد. برای پیشرفت در حوزه کشاورزی باید به میزان تبخیر آب، میزان رشد ریشه در خاک و ظرفیت نگهداری آب توسط خاک توجه ویژهای داشت.
- صنعت: در صنایع شیمیایی و غذایی برای تصفیهی مواد دارویی و غذایی از فرآیند تبدیل مایع به بخار به صورت گسترده استفاده میشود.
- تهیه نمک از آب شور: در آزمایش تبخیر آّب نمک کلاس سوم که در ادامه آن را مورد بررسی قرار میدهیم، با نحوه تولید نمک از آب شور و رابطه آن با تغییر حالت مایع به بخار، آشنا خواهیم شد.
تبخیر گرماگیر است یا گرماده؟
همانطور که دیدیم، مولکولها با افزایش دما و دریافت گرما، میتوانند از حالت مایع به گاز تبدیل شوند. بنابراین تغییرحالت مایع به گاز، یک فرآیند گرماگیر است.
چرا می گوییم بخار شدن در هر دمایی صورت می گیرد؟
با اینکه فرآیند تبدیل مایع به بخار یک تغییر فیزیکی گرماگیر است، اما مشاهده شده که در فصل زمستان در دمای نزدیک به صفر درجه (در سایه) لباسهای خیس، خودبهخود خشک میشوند. به نظر شما این لباسها بدون گرفتن گرما چگونه خشک میشوند؟
در این جا لازم است در مورد اصل مهمی (قانون سوم ترمودینامیک) که بعدا با آن آشنا خواهید شد، صحبت کنیم. مطابق این اصل، در دماهای پایین، انگیزه مولکولها برای تغییر حالت از مایع به بخار، به دلیل رسیدن به بینظمی (آنتروپی) بیشتر است. به این معنا که مولکولها در محیط مایع، دارای نظم بیشتری هستند و برای رسیدن به حداکثر بینظمی، تمایل دارند به صورت گاز درآیند.
وقتی میگوییم فرآیند بخار شدن در هر دمایی صورت میگیرد، شاید برای شما این سوال مطرح شود که “آیا این فرآیند در یخ خالص هم به وقوع میپیوندد؟”
امروزه مواد به پنج دسته تقسیم میشوند. این پنج دسته شامل جامد، مایع، گاز، پلاسما، چگالش بوز (اینشتین) هستند. البته به طور کلی سه حالت جامد، مایع و گاز بیشتر مد نظر قرار میگیرند.
هر نوع مولکولی دارای ویژگیهای مخصوص به خود است. به این ترتیب، در حالت خالص و در فشار محیط برابر با یک اتمسفر، هر مولکولی دارای دمای ذوب و دمای جوش مشخصی است که این دماهای ثابت به “نقطه ذوب “و “نقطه جوش” معروفند. عمل بخار شدن در محدوده نقطه ذوب جامد تا نقطه جوش مایع اتفاق میافتد.
نقطه ذوب
دمایی که در آن، تمام مولکولهای یک نمونه جامد در فشار هوای یک اتمسفر، از جامد به مایع تبدیل میشوند، به نقطه ذوب معروف است. لازم به ذکر است این دما در تمام مدت ذوب نمونه، ثابت باقی میماند.
نقطه جوش
دمایی که در آن، تمام مولکولهای یک نمونه مایع یا حلال در فشار یک اتمسفر به بخار تبدیل میشوند، نقطه جوش نام دارد. توجه داشته باشید تا تبدیل شدن تمام مولکولهای این مایع به بخار، دما ثابت باقی میماند. در دمای جوش، فشار بخار مایع با فشار هوای محیط برابر میشود.
بخار شدن در یخ خالص صورت نمی گیرد!
با توجه به مطلب بالا میتوان چنین نتیجهگیری نمود که هر چه از زمین فاصله میگیریم، انتظار داریم مایع یا حلال مورد نظر ما در دمای کمتری به جوش آید. یادتان باشد در بالای کوه میتوانید در حالی که حبابهای بزرگ گاز را در ظرف آب جوش مشاهده میکنید، بدون ترس دستتان را داخل ظرف آب جوش فرو برید.
به این ترتیب، دمای ذوب یخ خالص در فشار هوای یک اتمسفر، صفر درجه سانتیگراد و دمای جوش آّب خالص در فشار یک اتمسفر، 100 درجه سانتیگراد است. عمل بخار شدن در یخ خالص صورت نمیگیرد زیرا:
- ابتدا یخ صفر درجه با گرفتن مقداری گرما طی عمل ذوب به صورت آب صفر درجه درمیآید.
- در این مرحله، آب صفر درجه با گرفتن گرما ابتدا به آب با دمای صد درجه تبدیل میشود.
- در ادامه آب صد درجه تبدیل به بخار آب صد درجه میشود اما لازم به ذکر است که تا تمام مولکولهای نمونه آب به بخار تبدیل نشوند، درجه حرارت در نقطه جوش ثابت میماند.
پیشنهاد مطالعه: انجماد چیست؟
چرا بر خالص بودن مایع و فشار یک اتمسفر تاکید داریم؟
از آن جا که، هر گونه ناخالصی یا تغییر فشار، روی نقطه ذوب و جوش نمونه مورد اندازهگیری تاثیرگذار است، در بیان تعاریف دقیق علوم، لازم است از کلمه “خالص” و “فشار یک اتمسفر – که با عنوان فشار استاندارد نیز در نظر گرفته میشود” صحبت به میان آید.
انواع تبخیر
انواع تبخیر به دو صورت زیر است:
- تبخیر سطحی (بخارش) (Vaporization)
- تبخیر در نقطه جوش (جوشش) (Boiling)
بخارش
بخارش پدیدهای است که در سطح مایع اتفاق میافتد و تمامی مایع درگیر آن نیست (به عنوان مثال، بخارش در آب خالص بین صفر درجه تا زیر صد درجه اتفاق میافتد).
جوشش
جوشش پدیدهای است که تمامی مولکولهای یک نمونه از مایع، در آن درگیر هستند و در نقطه جوش آن مایع اتفاق میافتد (به عنوان مثال، جوشش مولکولهای آّب خالص در فشار یک اتمسفر، فقط در صد درجه اتفاق میافتد).
پیشنهاد مطالعه: عدسی چیست و چه کاربرد هایی دارد؟
عوامل موثر در تبخیر
مهمترین عوامل موثر در تبخیر و نحوه تاثیر آنها عبارتند از:
دما
مهمترین عامل موثر بر میزان بخار شدن، دما است. هر چه دما بیشتر باشد، میزان جنبش مولکولها افزایش مییابد و در نتیجه کاهش جاذبه بین مولکولی، مولکولها با سرعت بیشتری بخار میشوند. به این ترتیب، رابطه دما و میزان بخار شدن، رابطه مستقیم است.
سطح
هر چه سطح یک مایع بیشتر باشد، مولکولهای بیشتری با دریافت گرما، فرصت رهایی از سطح مایع را خواهند داشت. بنابراین رابطه سطح و میزان تبدیل مایع به بخار، رابطهای مستقیم است.
فشار هوا
فشار هوای محیط نیز یکی از عوامل موثر بر میزان بخار شدن مایعات است. هر چه فشارهوا بیشتر باشد، مولکولهای کمتری میتوانند به حالت بخار درآیند. بنابراین رابطه فشار محیط و میزان تغییر از حالت مایع به گاز، معکوس است.
غلظت مواد موجود در مایع (چگالی)
نوع و غلظت مواد موجود در مایع یا حلال میتواند در افزایش یا کاهش میزان تبدیل مایع به بخار تاثیر داشته باشد. برخی از نمکها سبب بالا رفتن نقطه جوش میشوند و افزایش غلظت این دسته از نمکها، رابطه معکوس با میزان بخار شدن مایع یا حلال دارند. البته در برخی موارد با افزودن برخی مواد فرار به مایع یا حلال، رابطه مستقیم با میزان بخار شدن را تجربه خواهیم کرد.
سرعت باد
از عوامل موثر بر میزان تبدیل مایع به بخار، سرعت باد است. هر چه سرعت باد روی سطح مایعی بیشتر باشد، تعداد مولکولهای بیشتری فرصت خروج از سطح مایع را مییابند. به این ترتیب رابطه سرعت باد با میزان بخار شدن مایع، مستقیم است.
آزمایش تهیه نمک از تبخیر آب شور
درانجام آزمایش تبخیر آب نمک، به یک ظرف، کمی آب داغ، قاشق، مقداری نمک و یک بشقاب نیاز داریم.
- در داخل ظرف کمی آب داغ میریزیم.
- یک قاشق نمک را به داخل آب داغ، اضافه میکنیم و مخلوط حاصل را بهوسیله قاشق (تا حل شدن همهی ذرات نمک) هم میزنیم.
- محتوای ظرف را داخل بشقاب، خالی میکنیم و اجازه میدهیم که مدتی بماند.
نتیجه آزمایش: پس از بخار شدن آب، لایه سفید نمک باقی مانده در ظرف را مشاهده خواهیم کرد. از همین روش، با تبخیر آب شور دریا، میتوان نمک استخراج نمود.
نکته: میتوان از شعله برای سریعتر پیش رفتن آزمایش استفاده کنیم.
عوارض تبخیر
هر فرآیندی میتواند ابعاد مثبت و منفی داشته باشد. تبخیر با آنکه در بسیاری از مواقع، مفید به نظر میرسد اما ممکن است عوارضی نیز به همراه داشته باشد. به عنوان مثال اگر مواد سمی و خطرناک در جریان این پدیده، بخار شوند و بخارات سمی حاصل از آنها توسط موجودات زنده استنشاق شوند، ممکن است حیات ساکنان کره زمین در معرض خطر جدی قرار بگیرد. از این رو سازمانها و نهادهای مسئول باید برای کنترل این عوارض مخرب ناشی از تبخیر، اقدامات لازم را به عمل بیاورند.
نتیجه گیری
درک عمیق فرآیند تبخیر اهمیت بسیاری دارد زیرا این پدیده در زندگی روزمره ما به مراتب اتفاق میافتد. در پختوپز، شستوشو و به طور کلی بطن زندگی انسانها، صنعت، کشاورزی، هنر و … میتوانیم آثاری از فرآیند تبدیل مایع به گاز را مشاهده کنیم. با توجه به اهمیت تبخیر، پس از ارائه تعریف دقیق آن، لازم است با روشهای سرعت بخشیدن به این فرآیند، آشنا شویم که در این مقاله به طور جامع این موارد را مورد بررسی قرار دادیم.
سوالات متداول
- تبخیر چیست؟
به فرآیند تبدیل مایع به بخار، تبخیر گفته میشود. این فرآیند گرماگیر میباشد. - آیا تبدیل مایع به بخار در هر دمایی صورت میگیرد؟
عمل تبدیل مایع به بخار از نقطه ذوب مایع تا نقطه جوش مایع اتفاق میافتد. - آیا میتوان فرآیند تبدیل مایع به بخار را سرعت بخشید؟
بله، با افزایش دما، افزایش سطح، کاهش فشار و افزایش سرعت باد، میتوان فرآیند تبدیل مایع به بخار را افزایش داد. البته بسته به انتخاب نوع و ماهیت ماده افزودنی به مایع و تغییر چگالی آن میتوان فرآیند تبدیل مایع به بخار را کاهش یا افزایش داد. - آیا مثالهایی از تبخیر در زندگی روزمره وجود دارد؟
بله، میتوانیم به خشک شدن دست و صورت، لباسها و رنگها، اشیای سفالی، میوهها (برای تهیه میوه خشک) و … اشاره کنیم.
