الموسوعة العربية

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

التبخر

تبخر

Evaporation -

كنج الشوفي

التبخر evaporation هو عملية طبيعية تتحول فيها المادة من الطور السائل إلى الطور الغازي (البخار). ويمكن أن تحدث هذه الظاهرة عند شروط مختلفة كثيرة من درجة الحرارة والضغط؛ ففي الخلاء تكون عملية التبخر أسهل منها عند وجود ضغوط مرتفعة فوق سطح السائل؛ إذ تصبح عملية التبخر أكثر بطئا، وتقتصر فقط على عدد من الجزيئات السطحية للسائل. كما تختلف سرعة عملية التبخر وفقاً لطبيعية المادة المدروسة، ويظهر ذلك جلياً بمقارنة تبخر الماء وتبخر الكحول الموجودَين بالشروط نفسها؛ إذ تكون عملية تبخر الكحول سريعة جداً في حين يستغرق الماء وقتاً أطول بكثير. كما أن هذه العملية لا تستمر إلى ما لانهاية في إناء مغلق، لأن البخار الناتج يعمل على زيادة الضغط فوق سطح السائل، مما يسبب تناقص سرعة التبخر حتى تصل إلى حالة يتوقف فيها التبخر بصورة كاملة عندما يبلغ الضغط قيمة حدية عظمى تدعى ضغط بخار السائل المشبع.

ولكي يحدث التبخر لابد من توافر الطاقة الحرارية الضرورية والكافية لكسر الروابط الكيميائية مابين جزيئات مكوِّنات المادة الأساسية المراد تبخيرها وتحويلها إلى ذرات في حالة جسم بسيط، أو جزيئات حرة في المركّبات.

لا يحدث التبخر من الطور السائل للمادة فقط؛ بل يمكن أن يحدث أيضاً من الطور الصلب مباشرة، وذلك وفق شروط مناسبة من ضغط ودرجة حرارة (الحالة الحرجة)؛ إذ يطلق على هذه الحالة اسم التصعيد أو التسامي sublimation. ويتضح ذلك من مخطط الأطوار للمادة الشكل (1).

الشكل (1)

تعد أشعة الشمس العامل الأساسي لحدوث عملية تبخر الماء من سطوح البحار والمحيطات والأجسام الحية عن طريق تقديم الطاقة الحرارية اللازمة لكسر الروابط بين جزيئات الماء لتحويله من الماء السائل إلى البخار.

ولكي تتبخر جزيئات السائل يجب أن تكون واقعة بالقرب من سطحه، وأن تكون متحركة بالاتجاه المناسب، وممتلكة كمية كافية من الطاقة الحركية كي تتغلب على القوى التي تربط الجزيئات بعضها ببعض داخل السائل. وبما أن الطاقة الحركية للجزيئات تتناسب مع درجة الحرارة فإن عملية التبخر ترتبط بدرجة الحرارة على نحو وثيق، ومن ثمَّ تزداد سرعة التبخر مع ارتفاع درجات الحرارة. إن الجزيئات الأسرع (الطاقة الحركية المرتفعة) سوف تتبخر بسرعة أيضاً في حين تبقى داخل السائل الجزيئات ذات الطاقة الحركية المنخفضة؛ أي إن الجزيئات الحارة تتبخر أولاً فيفقد السائل جزءاً من حرارته مما يسبب انخفاض درجة حرارة السائل، وهذه الحالة تدعى التبريد بالتبخر.

عندما تحدث عملية التبخر بالهواء فإن عدد الجزيئات المتبخرة أكبر بكثير من عدد الجزيئات التي تعود إلى السائل؛ وبالتالي فإن عملية التبخر تستمر حتى جفاف السائل بصورة تامة. أما عندما تحدث عملية التبخر في مكان مغلق فإن الجزيئات المتبخرة تتجمع على شكل بخار فوق سطح السائل. وبالتالي فإن جزءاً منها يعود إلى السائل من جديد، ومن أجل تواتر محدد لهذه العملية فإن كثافة البخار وضغطه سوف يزدادان. وعندما تبلغ عملية خروج الجزيئات من سطح السائل وعودتها إليه حالة توازن عندها يصل البخار إلى حالة تسمى البخار المشبع. حيث يكون كل من كثافة البخار وضغطه في حالة ثبات من دون أي تغيير. ويختلف ضغط بخار الإشباع باختلاف السائل المدروس، ويتعلق فقط بدرجة الحرارة عندما يكون السائل نقياً؛ إذ يزداد بازديادها.

تخضع عملية التبخر لعدة عوامل فهي تتعلق بطبيعة السائل والشروط الخارجية المحيطة به من ضغط ودرجة حرارة ورطوبة. فعلى سبيل المثال عند تبخر الماء في الهواء المحيط فإن العوامل المؤثرة في سير عملية التبخر هي رطوبة الهواء وسرعة جريانه في المنطقة، إضافة إلى كثافته. وأمكن دراسة أثر هذه العوامل في معدل التبخر من العلاقة (1):

حيث E: تمثل معدل التبخر evaporation rate،
وA: معامل انتشار الدوَّامات الهوائية أو austausch coefficient،: كثافة الهواء،: الرطوبة الجوية الوسطية، و Z الإحداثي العمودي.

كما تؤدي الشروط المحيطة من ضغط ودرجة حرارة ورطوبة؛ أدواراً أساسية ومهمة في عملية التبخر. فعند حدوث عملية التحول من الطور السائل إلى الغازي (التبخر) وبلوغها حالة الإشباع حيث يكون ضغط بخار الإشباع ثابتاً؛ يمكن استناداً إلى القانون الأول في الترموديناميك كتابة (العلاقة 2):

أو بالشكل الآتي (العلاقة 3):

حيث: حجم والأنطلبية والطاقة الداخلية لمول من المادة في الطور الغازي؛ في حين هي قيمتها في الطور السائل، أما P فتمثل الضغط. وعند حالة الإشباع يكون وفقاً للقانون الثاني في الترموديناميك (العلاقة 4):

إذ إن S يمثل أنتروبية الجملة، ومن جهة ثانية عند بلوغ حالة الإشباع (sat) saturation يكون (العلاقة 5):

ومن العلاقتين 4 و5 تكون العلاقة (6):

إذ إن L تمثل حرارة التبخر، والتي تعرف بأنها كمية الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من المادة من الحالة السائلة إلى الغازية. وفي حال كان البخار يسلك سلوك الغاز الكامل؛ عندها يمكن كتابة المعادلة (6) بعد استخدام معادلة الحالة للغاز الكامل PV=RT؛ بالعلاقة (7):

وذلك على فرض أن ؛ بينما يمثل P في هذه المعادلة ضغط البخار المشبع، ومن جهة ثانية فقد بينت التجربة أن ضغط البخار المشبع يتعلق بدرجة الحرارة وفق العلاقة (8):

حيث درجة الحرارة المرجعية عند الدرجة صفر سلزيوس أي تساوي 273.15 كلفن، درجة الحرارة الفعلية مقدرة بالكلفن. ويبين الشكل (2) تغير ضغط البخار مع درجة الحرارة من أجل نسب رطوبة مختلفة.

الشكل (2)

من أهم التطبيقات التقنية والمهمة لعملية التبخر سواء تم ذلك من الطور السائل أم الطور الصلب (التصعيد)، هو الحصول على الأغشية الرقيقة thin films ذات الاستخدامات الواسعة. وتُعد عملية التبخير الآلية الأكثر انتشاراً واستخداماً في تصنيعها؛ إذ تُحَلُّ المادة المراد صنع غشاء منها بُمحلٍّ مناسب فوق سطح صلب، ثم تترك ليتبخر المحلّ. كما تعد دراسة التبخر من البحار أولوية في الأرصاد الجوية، فتشكل الغيوم وحركتها وسلوك البخار في الجو العالي أساس سقوط المطر والثلج والتحكم بالرطوبة.

ويُعتمد على التبخر أيضاً في عملية تبريد بعض السوائل وذلك بالضخ عليها، وكذلك في التنقية.

مراجع للاستزادة:

-P.W. Atkins, The Laws of Thermodynamics: a Very Short Introduction Oxford University Press, 2010.

-M. J. Moran, Howard N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons, Inc., 2006.

- R.K. Rajput, A Textbook of Engineering Thermodynamics, Firewall Media 2010.