بررسی کامل نقطه جوش و عوامل موثر بر آن

به عنوان یک دانش آموز و یا دانشجو، حتما بار ها درباره نقطه جوش و ویژگی های آن شنیده اید. اما نقطه جوش چیست؟ یک تعریف استاندارد از نقطه جوش چیست؟ آیا نقطه جوش در همه جا یک عدد است؟ و… برای دانستن پاسخ همه این سوالا به ادامه مطلب توجه کنید.

نقطه جوش چیست؟

بیایید ابتدا با تعریف نقطه جوش شروع کنیم و سپس به سراغ بنیان ها برویم و در نهایت به نتایج برسیم. در یک تعریف ساده و ابتدایی، نقطه جوش دمایی است که در آن دما، فشار بخار ماده با فشار محیط اطرافش برابر می شود. در نتیجه این اتفاق، برای ماده فرقی ندارد که در حالت مایع قرار گیرد و یا در فاز بخار ظاهر شود. بنابراین می تواند از فاز مایع خارج شده و به بخار تبدیل شود.

تعریف های بهتری نیز وجود دارد اما برای شروع بحث در همین حد کافی است. در یک کلام می توان چنین گفت که در نقطه جوش، ماده شروع به قل زدن می کند و با شدت بسیار زیادی به بخار تبدیل می شود. در حالت عادی نیز مقداری از هر مایعی بخار می شود؛ اما در نقطه جوش، این پدیده به حدی شدت می گیرد که واضح و قابل مشاهده است.

جالب است بدانید که به عنوان مثال، آب در همه دما های بالاتر از صفر بخار می شود و این توانایی را دارد تا به طور کامل تبخیر شود. می توانید یک لیوان آب را در کمد تان قرار دهید و یک هفته به آن زمان دهید. پس از یک هفته، متوجه می شوید که سطح آب پایین آمده و این یعنی که مقداری از آب موجود در لیوان بخار شده است.

تبخیر در همه دما ها انجام می شود؛ اما خود بخاری که از روی مایع بلند می شود یک فشار به مایع زیر خود وارد می کند؛ بنابراین مانع تبخیر بیشتر می شود. البته فشار هوای موجود در اطراف آن ماده نیز همین اثر را گذاشته و مانع تبخیر بیش از حد می شود. بنابراین روند تبخیر یک لیوان آب ممکن است که بیش از بیست روز طول بکشد.

توجه داشته باشید که نقطه جوش با تبخیر فرق دارد. آب در همه دماهای بالاتر از صفر درجه سانتیگراد تبخیر می شود اما تنها در فشار و دما های ویژه ای است که به جوش می آید و ما همه این نقاط را می توانیم از روی نمودار فاز استخراج کنیم. 

در نقاط پایین تر از نقطه جوش تبخیر فقط از سطح مایع انجام می شود؛ اما در نقطه جوش تبخیر از تمام نقاط مایع انجام شده و محدود به سطح نمی باشد. دما در نقطه جوش ثابت می ماند و تا زمانی که همه مایع بخار شود، دما تغییر نخواهد کرد. این یک اصل ترمودینامیکی است که با تجربه نیز ثابت شده است. علت آن هم بی نهایت شدن ظرفیت گرمایی ماده در دمای جوش است.

اگر بخواهیم نقطه جوش را از دیدگاه ترمودینامیکی بررسی کنیم؛ می توان چنین گفت که نقطه جوش دمای است که در آن پتانسیل شیمیایی فاز مایع و فاز بخار یکسان می شود. بنابراین برای ماده تفاوتی نخواهد داشت که در فاز مایع بماند و یا بخار شود.

 البته توجه داشته باشید که فرایند تبخیر و میعان دو فرایند هستند که با هم در تعادل قرار دارند. در هر دما و فشاری که در نظر بگیرید؛ در عین تبخیر، فرایند میعان نیز مشاهده می شود. اما بسته به مقدار حرارتی که به ماده داده می شود و فشاری که در اطراف ظرف مورد مطالعه وجود دارد؛ این تعادل به نفع تبخیر یا میعان قابلیت جابجایی دارد.

 نمودار فاز و نقطه جوش

 در یک نمودار فاز همه نقاط در مرز بین فاز مایع و بخار، نقاط جوش هستند. یعنی متناسب با هر فشار که در اطراف ظرف مورد مطالعه ما قرار داشته باشد؛ یک نقطه جوش خاص قابل تعریف و دسترسی است. همانطور که می دانید آب خالص در زمانی که فشار اتمسفر برابر با 768 میلی متر جیوه باشد، ۱۰۰ درجه سانتیگراد خواهد بود. در شکل زیر به نمودار فاز آب توجه کنید.

 این عدد در فشارهای اتمسفری کمتر از 768 میلی متر جیوه کاهش خواهد یافت و در فشار های بسیار کمتر، آب می تواند در دمای اتاق نیز به جوش آید. بنابراین یکی از مهمترین عوامل موثر بر نقطه جوش فشار است. البته اثر فشار در مواد مختلف به صورت های گوناگونی ظاهر می‌شود و برای همه مواد به یک شکل نخواهد بود.

 اما آن چه که مسلم است این است که کاهش فشار، باعث کاهش نقطه جوش می گردد و از طرف دیگر، افزایش فشار هم منجر به افزایش نقطه جوش خواهد شد.

 خواص کولیگاتیو و تاثیر آن بر دمای جوش

 همانطور که می دانید؛ در اثر افزودن یک ماده حل نشدنی به یک مایع، می توان نقطه جوش آن را افزایش و نقطه ذوب آن را کاهش داد. این تاثیری است که ما از زمان دبیرستان تحت عنوان تاثیر خواص کولیگاتیو آن را می شناسیم.

 یکی از اقداماتی که برای جلوگیری از جوش آمدن آب داخل رادیاتور ماشین ها انجام می‌شود؛ استفاده از محلول های ضد جوش است. هر محلول ضد جوش حاوی موادی است که در آب رادیاتور حل نمی شوند و یا به طور نسبی در آب حل می شوند؛ بنابراین می توانند نقطه جوش آب رادیاتور را افزایش دهند.

 به همین خاطر است که دمای آب داخل رادیاتور به بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد می رسد اما ماشین جوش نمی آورد. شما می‌توانید این کار را به صورت تجربی هم انجام دهید. دو لیوان آب انتخاب کنید و درون آن ها تا یک خط معین و برابر آب بریزید.

 درون یکی از لیوان ها یک قاشق ماسه بادی بریزید و سپس آن ها را در یک قابلمه حاوی آب جوش فرو ببرید و سپس منتظر بمانید تا دمای آن ها با دمای آب جوش اطرافشان برابر شود. خواهید دید که لیوان حاوی آب خالص شروع به جوشیدن می کند در حالیکه لیوان دیگر نجوشیده و صرفاً بخار می کند.

 این آزمایش به خوبی می‌تواند تاثیر خواص کولیگاتیو بر نقطه جوش را نشان دهد. 

تاثیر نوع ماده بر دمای جوش

 اگر استون بر روی دست شما ریخته باشد؛ حتماً دیده اید که در کمتر از چند ثانیه تبخیر می شود. اما آب با این سرعت نمی تواند بخار شود. به همین منوال دمای جوش استون نیز بسیار بسیار کمتر از آب است.

 علت این پدیده در تاثیر نوع ماده بر دمای جوش آن دیده می شود. هر مولکول آب می تواند از طریق برقراری پیوند های هیدروژنی با مولکول های اطرافش یک شبکه ایجاد کرده و از فرار آن ها به فاز بخار جلوگیری کرده و یا آن را سخت کند.

 اما در مولکول استون امکان برقراری پیوند های هیدروژنی وجود ندارد. بنابراین مولکول ها نمی توانند یک شبکه ایجاد کرده و مانع از تبخیر یکدیگر شوند؛ بنابراین استون در دمای بسیار پایین تری نسبت به آب خالص تبخیر شده و همچنین به جوش می آید.

 مشابه با چنین پدیده ای در رابطه با مواد دیگر نیز دیده می شود. به عنوان مثال، اگر هیدروکربنی کوتاه زنجیر مثل پروپان را در نظر بگیرید؛ نقطه جوش حتی به اعداد زیر صفر درجه سانتیگراد نیز می رود و این تنها به خاطر ساختار مولکولی ماده است.