التعريف بنقطة الضغط والبناء

إن الضغط على الأبقار ونقطة الغلاية هما من أهم المفاهيم في الديناميكيات الحرارية الكيميائية، وهما يحكمان كيفية انتقال المواد بين مراحل السائل والغاز، ويؤثران على تصميم عمليات الفصل الصناعي، ويحددان استقرار المواد في ظل ظروف بيئية مختلفة، ويسمح فهم عميق لهذه الممتلكات للكيمياء والمهندسين بالتنبؤ بالسلوك التدريجي، وتهيئة ظروف رد الفعل على نحو أمثل، وضمان سلامة التعامل مع المركبات المتقلبة.

المبادئ الأساسية لضغوط الباب

الترجمة الشفوية من خلال التعميم

وينشأ ضغط الباب عن التوازن الدينامي بين السائل (أو الصلب) ومرحلة البخار، وفي أي درجة حرارة معينة، فإن الجزيئات على سطح السائل تحوز توزيعاً للطاقات الحركية، وبعض الجزيئات لديها طاقة كافية للتغلب على القوى البلاستيكية الجاهزة والهرب من مرحلة الغاز، وفي الوقت نفسه، تتجمع الجزيئات البخارية مع ضغط السائل وضغط العادم.

وهذه التوازنات ليست ثابتة ولكنها دينامية، وحتى في التوازن، تستمر الجزيئات في التبادل بين المراحل، ولكن صافي التغير صفري، وتتوقف قيمة ضغط البخار على قوة القوى السائلة غير المطلقة داخل السائلة، وتحتاج المواد ذات الجذب القوي في الأجل الطويل (مثل ربط الهيدروجين في الماء أو تفاعلات ثنائي الأقطاب في ضغط المركبات القطبية) إلى درجة أقل من التقلب.

العوامل التي تؤثر على ضغط الصابون

وهناك عوامل عديدة تؤثر على ضغط البخار للمادة:

  • Temperature]: مع ارتفاع درجة الحرارة، يرتفع متوسط الطاقة الحركية للجزئيات، مما يسمح لجزء أكبر من الجزيئات بالتغلب على القوى غير المألوفة، وبالتالي، فإن الضغط البخاري يزيد بدرجة حرارة، وهذه العلاقة يوصفها كمياً معادلة كلوسيوس - كلابيرون.
  • Intermolecular Forces]: strongerer intermolecular forces (e.g., hydrogen bonds, dipole-dipole interactions) decrease the tendency of molecules to escape into the vapor phase, resulting in lower vapor pressure. For example, at 20 °C, water (with hydrogen bonding)
  • Molecular Weight and Structure]: في إطار سلسلة متجانسة، تكون الجزيئات الأكبر حجماً عموماً نقاط غليان أعلى وضغوط أقل بخار نتيجة لزيادة قوات تشتت لندن، غير أن الشكل الجزيئي يؤدي أيضاً دوراً؛ وكثيراً ما يكون للهيدرومرات الفرعية ضغوط بخار أعلى من نظيراتها في الطول نظراً إلى حزمة بأقل قدر من الكفاءة وتقلها في منطقة الاتصال السطحية.
  • Presence of Solutes]: Dissolving a nonvolatile solute in a solvent lowers the vapor pressure of the solvent-a phenomenon known as Raoult’s law. This colligative property is exploited in applications such as antifreeze and de-icing.

The Clausius-Clapeyron Equation

وتوفر معادلة كلوسيوس - كلابيرون علاقة كمية بين ضغط البخار ودرجته، والشكل المتكامل هو:

(ب) إذا كان P1 و P2 هما ضغط البخار عند درجة حرارة مطلقة T1 و T2, chehvap هو متوسط التكاثر في الاختناق، و R هو العامل المثالي للغاز، ويفترض هذا المعادلة أن المقياس المرجعي هو ضغط ثابت على درجة الحرارة

نقطة الغليان وتعيينها

التعريف والأسس الدينامية الحرارية

ونقطة الغليان التي يتكون منها السائل هي درجة الحرارة التي يضاهي فيها ضغط البخار الضغط الخارجي الذي يمارس على السائل، وفي هذه المرحلة، يمكن لفقاعات البخار أن تشكل في جميع أجزاء السائل، وليس على السطح فحسب، مما يؤدي إلى التبخير السريع، ومن الناحية الحرارية، يحدث الغلاوة عندما يصبح التغير في الطاقة الحرة لجيبس في مرحلة الانتقال من السائل إلى الخراب متساويا، أي أن يكون السائلا.

ومن المهم التمييز بين نقطة الغليان الشاذة ] و نقطة الغليان القياسية ]، وتقاس نقطة الغليان العادية بضغط خارجي يبلغ 1 درجة مئوية (760 ملم أو 101.325 كيلوباسكال).

أثر الضغط الخارجي

ونظراً لأن نقطة الغلاية تتوقف على الضغط الخارجي، فإن التغيرات في الضغط تغير بدرجة كبيرة درجة الحرارة التي ترتفع فيها السائل، والضغط الجوي أقل، وبالتالي فإن المياه تغلي في درجة حرارة تقل عن 100 درجة مئوية، وعلى سبيل المثال، عند ارتفاع 000 3 متر فوق مستوى سطح البحر، فإن ضغط الطهي في الغلاف الجوي يبلغ نحو 700 درجة مئوية، وتغليب الماء عند نحو 90 درجة مئوية.

والعلاقة بين نقطة الغلاية والضغط ليست خطية؛ فهي تتبع اتجاه كلوزيوس - كلابيرون، ويستخدم المهندسون هذه المعرفة لتصميم وحدات للتفكيك في الفراغ التي تقلل نقطة الغليان من المركبات الحساسة للحرارة، وتمنع التحلل، وللمزيد من الغليان المعتمد على الضغط، انظر Engineering Toolbox’s water boiling point at various1]

نقطة الغليان والقوات المتعددة الأطراف

وتحتاج المواد ذات القوى الوبائية الأقوى إلى درجات حرارة أعلى من أجل تحقيق الضغط البخاري اللازم للتغلي، وبالتالي فإن نقطة الغليان مؤشر مباشر على قوة القوات غير المتطرفة، فعلى سبيل المثال، فإن الهيليوم (نقطة التغليز - 269 درجة مئوية) له قوى غير قابلة للانتقاص، بينما يتبع التنغستن (نقطة التغليز 555 درجة مئوية) الترابط الفلزي القوي بين الجسيمات المؤلفة.

  • الهيدروكربونات غير القطبية: نقاط الغلاية المنخفضة (مثل الميثان - 161 درجة مئوية)
  • المركبات الزراعية القطبية: نقاط الغليان المتوسطة (مثل الأسيتون 56 درجة مئوية)
  • مركبات الهيدروجين - المشبع: نقاط الغليان المرتفعة (مثل المياه 100 درجة مئوية، والإيثانول 78 درجة مئوية، ولكن الماء الملاحظ مرتفع بدرجة غير عادية بسبب ترابط الهيدروجين الواسع النطاق)

ونقطة الغليان تترابط أيضاً مع الوزن الجزيئي ضمن سلسلة من الأمثلة على ذلك، ارتفاع نقاط الغلاية النبيلة من (هين) إلى (رن) بينما ترتفع قوات تشتت (لندن) مع العد الإلكتروني.

Thermodynamic Relationship Between Vapor Pressure and Boiling Point

موازنة المرحلة وطاقة جيبز الحرة

وفي الديناميات الحرارية الكيميائية، فإن شرط التوازن في المرحلة هو أن الإمكانات الكيميائية (الميكروفة) لكل عنصر متساو في جميع المراحل الحاضرة، وبالنسبة للمادة النقية، فإن الطاقة الحرة للخليط الواحد في جيبز هي نفسها في مرحلتي السائل والبخار عند التوازن، ويعطي التباين في الإمكانات الكيميائية مع الضغط ودرجة الحرارة ما يلي:

وعلى امتداد منحنى التعايش بين السائل والميكروفون () ] = ديم ]v ].() ويؤدي إعادة ترتيب الأسعار إلى معادلة كلوزيوس - كلابيرون، ويربط ضغط البخار ودرجات الحرارة، وهذا يدل على أن ضغط البخار والضغط المغلي يرتبطان في جوهره:

استخدام الضغط على البابوري لنقاط الغليان

وإذا كان ضغط البخار على السائل معروفاً عند درجة حرارة واحدة، وكان من المعروف أن نسخة الاختراع، فإن معادلة كلوسيوس - كلابيرون يمكن استخدامها لتقدير نقطة الغليان عند ضغط مختلف، وعلى العكس من ذلك، فإن قياس نقطة الغليان عند ضغط الغلاف الجوي يعطي ضغطاً بخارياً على الفور عند درجة الحرارة هذه: فهي بالضبط 760 ملليمتراً (أو الضغط السائد في الغلاف الجوي).

الآثار في الديناميات الحرارية الكيميائية

المرحلة الانتقالية والنسخة الأولية من عملية الاستنفار

The enthalpy of vaporization (h.vap) is the energy required to convert one mole of a liquid into vapor at constant temperature and pressure. It is directly related to the strength of intermolecular forces. The Clausius-Clapeyron equation allows determination of groH[FLT:] pressure

Reaction Kinetics and Le Chatelier’s Principle

وفي ردود الفعل الكيميائية التي تنطوي على السوائل والغازات، يؤثر ضغط البخار ونقطة الغليان على تركيب مرحلة البخار، مثلاً في ردود فعل التضخيم التي تنتج فيها المياه، مما يؤدي إلى نقل المياه عن طريق التبخر إلى منتجات معادلة نحو المبردات (مبدأ لي شاتيلير) ويساعد فهم نقطة المغلي من المياه في ظروف رد الفعل على إحداث درجات حرارة في إزالة المياه دون أن يفجر المفاعلات المتقلبة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن معدلات التفاعل تعتمد على درجة الحرارة من خلال معادلة الأريحينوس، حيث تحدد نقطة الغليان حداً عملياً أعلى للرد الفعلي الذي يتم في ضغط الغلاف الجوي، وبالنسبة للردات التي تتطلب درجات أعلى من درجة الحرارة دون تجاوز نقطة الغليان، يمكن للكيميائيين استخدام السفن المختومة أو معدات الضغط العالي، وبدلاً من ذلك، فإن المذيبات العالية الغليان (مثلاً، ضغط الديموسفيروريدج) 153

التطبيقات العملية

ويتيح الضغط على البخار المتقن ونقطة الغليان تطبيقات عملية عديدة:

  • Distillation]: يفصل التحلل الإفتراضي بين المخلوطات استناداً إلى الاختلافات في نقاط الغليان، وبالنسبة للمخلائط القريبة من الغليان، تشكل المساحات الحازية في بعض التكوينات التي تتداخل فيها منحنىات الضغط البخاري، ويُبلغ مفهوم الضغط البخاري بتصميم التحلل الفيزيائي أو التشت.
  • Chemical Reactor Design: يجب تصميم المفاعلات لمعالجة ضغط البخار عند درجات حرارة التشغيل لتجنب الإفراط في الضغط.
  • Material Stability]: عندما تخزن المواد الكيميائية المتطايرة، يجب أن تتحمل الحاويات ضغط البخار عند درجات الحرارة المحيطة المتوقعة، وعلى سبيل المثال، يخزن البنزين (الضغط على الغازات - 4-15 رشاشاً حسب المزيج) في صهاريج تحتية مقفلة لمنع الهروب من البوابرات.
  • Environmental Fate]: إن تقلب الملوثات يحدد سرعة تفريغها من التربة أو من أجساد المياه.

تقنيات القياس

مصابة بالسرطان

والمقياس الدقيق لارتفاع درجة المغليان، إذ يمكن للمرء، بقياس نقطة الغليان التي تحتوي على سائل نقي عند ضغط معروف، أن يحدد ضغطه البخاري عند تلك الدرجة، ويستخدم مقاييس الانتفاخ الحديثة أجهزة الاستشعار المتباينة للضغط والحمامات المزروعة لتحقيق الدقة العالية، وكثيرا ما تقترن هذه الطريقة بأسلوب رامسي - يونغ لتحديد نقاط الغليان العادية.

الأساليب الثابتة والدينامية لضغط الصابورة

ويمكن قياس ضغط الأبقار باستخدام أساليب ثابتة، حيث يوضع السائل في غرفة مُجلَى، ويقاس ضغط البخار مباشرة باستخدام مقياس أو مقياس للضغط، ويستخدم النسيج جهازاً كلاسيكياً لهذا الغرض، وتستلزم الأساليب الدينامية، مثل طريقة تغذي الغاز، مرور غاز غير مستعمل عن طريق السائل بدرجات حرارة معروفة وقياس الضغط على الفول السوداني().

ويتمتع كل تقنية بمزاياها وحدودها، ويتوقف الاختيار على مدى التقلب ودرجة الحرارة والدقة المطلوبة، ويمكن العثور على بروتوكولات مفصلة في Journal of Chemical & Engineering Data’s guidelines on vapor pressure measurement.

خاتمة

أما الضغط على الأبقار ونقطة الغلاية فهي ليست خصائص معزولة ولكنها متأصلة في نسيج الديناميكا الحرارية الكيميائية، فهي تتحكم في التوازن التدريجي، وتملي جدوى العملية، وتؤثر على السلامة في الأوساط الصناعية والمختبرية، وتضع قواعد البيانات الأساسية المتعلقة بتصميم الختان، وتضع قواعد البيانات المتعلقة بتصميمات الخلايا، وتزيد من الآثار العملية المترتبة على ذلك.