تفاوت بین گاززدایی و تبخیر

فرايند تبخير مايع به فشار درون مايع و دماي مايع بستگي دارد. براي مولكول‌هاي موجود در عمق معيني از مايع كه در دماي مشخصي به‌سر مي‌برند مهم نيست كه فشاري كه بر آنها وارد مي‌آيد از چه راهي حاصل شده است، مثلاً آيا بر اثر فشار گازِ روي مايع است يا بر اثر فشاري است كه پيستوني فلزي در سيلندر بسته‌ي حاوي مايع بر سطح مايع وارد مي‌آورد يا بر اثر وزن ستون مايعِ بالاي نقطه‌ي مورد نظر در عمق مايع است. از هر طريقي كه فشاري در نقطه‌اي در درون مايع احساس شود، مقدار فشار پارامتر تأثيرگذاري در فرايند تبخير در آن نقطه از مايع است. حال مي‌توانيم فرض كنيم حجم معيني از مايع در درون سيلندري با پيستون درزبندي شده‌ي متحركي در بالاي سيلندر داريم كه اين حجمِ مايع عمق چنداني ندارد تا احياناً تغيير وزن مايع بالاي نقطه‌ي مورد نظر تأثير چنداني در تغيير ميزان فشار در نقاط مختلف مايع داشته باشد. فرض كنيد مقدار گاز معيني در بالاي مايع و زير پيستون موجود است به‌گونه‌اي كه فشاري كه در درون مايع احساس مي‌شود عملاً فشار ناشي از فشار گاز روي مايع باشد. در صورتي كه فرايند تبخير در مايع اتفاق بيفتد و مقداري از مايع به‌صورت گاز بخار شود و به حجم گاز قبلي روي مايع اضافه شود براي اين‌كه همان فشار قبلي در مايع احساس شود لازم است، با فرض عدم تغيير قابل توجه در دما، پيستون به اندازه‌ي كافي بالا كشيده شده و حجم روي مايع افزايش يابد تا همچنان همان فشار قبلي در درون مايع احساس شود. فرض كنيد سيستمي مثلاً اتوماتيك براي انجام چنين تغييراتي در موقعيت پيستون وجود دارد به‌گونه‌اي كه همواره سرجمع فشار گازهاي روي مايع ثابت باقي بماند ولذا فشار احساس شده در درون مايع همواره روي مقدار مورد نظر ما، صرف نظر از فرايند تبخير، ثابت بماند. در چنين وضعيتي است كه نقطه‌ي جوش تعريف مي‌شود: اگر در دماي معيني از مايع، فشار گاز (اعم از بخار مايع يا هوا يا ...) روي مايع، يا با بيان صحيح‌تر، فشار احساس شده در درون مايع، ثابت بماند و در آن دما تمامِ گرمايي كه مايع مي‌گيرد صرف تبديل آن به بخار، و نه افزايش دماي آن، شود به آن دما دماي جوش مايع گفته مي‌شود. در زيرِ نقطه‌ي جوش اگر گرمايي به مايع داده شود قسمتي از آن صرف افزايش دماي مايع و بقيه صرف تبخير (سطحي) مايع مي‌شود.

در مورد تبخير (سطحي) آموزنده است مطلبي گفته شود: مولكول‌هاي درحال جنب و جوشِ مايع در دماي معيني (زير نقطه جوش آن) را درنظر گيريد. فرض كنيد مولكول‌هايي با جنب و جوش متوسط بيشتر (يعني با دماي بيشتر)، از بدنه‌ي ظرف حاوي مولكول‌هاي مايع، قسمتي از انرژي جنبشي خود را به مولكول‌هاي مايع بدهند. اين انرژيِ اضافه‌ي منتقل شده به مولكول‌هاي مايع، هم كلاً باعث افزايشِ انرژي متوسط همه‌ي مولكول‌هاي مايع مي‌شود و هم قسمتي از آن به بعضي از مولكول‌هاي مايع، كه در تماس مستقيم‌تر با چشمه‌ي گرما هستند، انرژي‌اي خيلي بيشتر از حد متوسطي از انرژي كه به بقيه‌ي مولكول‌ها داده شده است مي‌دهد كه باعث مي‌شود انرژي آنها به مولكول‌هاي سطح مايع منتقل شده و به آنها انرژي فرار از سطح مايع را بدهد و باعث تبخير (سطحي) مايع شود. درصورتي كه دماي مايع از ابتدا به اندازه‌ي كافي بالا باشد انرژي جنبشيِ گرفته شده از چشمه‌ي گرما قبل از اين‌كه فرصت كند انرژي جنبشي مولكول‌هاي مايع را افزايش دهد مستقيماً، حتي قبل از رسيدن به سطح مايع، باعت تبخير مايع مي‌شود و اين همان حالت ايجاد حباب و قُل‌قُل زدنِ مايع در نقطه‌ي جوش آن است.
نقطه‌ي جوش يك مايع به فشاري كه مايع احساس مي‌كند بستگي دارد. معمولاً اگر اين فشار كاهش يابد نقطه‌ي جوش نيز كاهش مي‌يابد. مطلب ديگر اين‌كه چشمه‌ي گرما براي يك مايع هميشه لازم نيست بيرون از مايع باشد و گاهي برحسب شرايط مي‌تواند گرماي خود مايع نيز باشد. مثلاً اگر مايعي كه در دماي اتاق تحت فشارِ هواي روي آن است به‌وسيله‌ي پمپ خلأي تحت خلأ قرار گيرد يعني فشار گاز روي آن، و درنتيجه فشار احساس شده در درون مايع، كاهش يابد (و اين فشارِ كاهش يافته با كاركرد مناسب پمپ ثابت بماند) بالتبع نقطه‌ي جوش آن نيز كاهش مي‌يابد و مثلاً به زير دماي مايع كه دماي اتاق است مي‌رسد. دراين‌حال گرماي درون مايع چشمه‌اي گرمايي مي‌شود براي خودِ مايع كه اين گرما را صرف تبخير خود كند و با گرفتنِ تدريجيِ اين گرما از خود دماي خود را كاهش دهد تا زماني كه به نقطه‌ي جوش خود تحت آن فشارِ كاهش يافته برسد كه در آن زمان ديگر از جوش مي‌افتد زيرا ديگر چشمه‌‌اي گرمايي با دماي بالاتر براي تبديل مايع به بخار ندارد مگر اين‌كه بدنه‌ي ظرفِ حاوي مايع عايق حرارت نباشد و از محيط بيرون كه دماي آن بيش از دماي مايع در اين نقطه‌ي جوش مي‌باشد گرما به‌طرف مايع براي تبديل آن به بخار جاري شود كه اين امر باعث سرد شدنِ بيرون مي‌شود (و اين فرايندي است كه در بعضي از انواع يخچال‌ها يا سرماسازها مورد استفاده قرار مي‌گيرد).
.

مسئله‌ي حل شدن گاز، مثلاً هوا، در مايع چيزي غير از مسئله‌ي تبخير است. انحلال گاز در مايع امري است كه در جاي خود اهميت دارد و مثلاً براي خيلي از واكنش‌هاي شيميايي مي‌تواند تأثير (مخرب) داشته باشد. اگر ليواني آب را در يخچالِ سرد بگذاريد خواهيد ديد كه هوايي كه قبلاً در آب حل شده است اكنون از آب جدا شده و بر بدنه‌ي ليوان به‌صورت حباب‌هاي چسبيده به ديواره مشهود است. اصولاً اگر فرايند حل شدنِ هوا در آب نباشد ماهي‌ها در آب خفه مي‌شوند زيرا آنها درواقع از طريق آبشش خود هواي محلول در آب را براي تنفس مورد استفاده قرار مي‌دهند. يكي از فرايندهايي كه طي آن مي‌توان گاز محلول در مايع را از آن جدا كرد اين است كه فشار گاز (و بخار) روي مايع، و درواقع فشار احساس شده در درون مايع، را كاهش دهيم كه دراين حال گازهاي محلول در مايع به‌صورت حباب از درون مايع (به‌علت سبك بودن) به‌طرف سطح فوقاني مايع فرار مي‌كنند.

درواقع وضعيت را مي‌توان اين‌گونه تصور كرد كه فشار (گاز) روي مايع مجموعه مولكول‌هاي گاز موجود در داخل مايع، يا فرستاده شده (براثر جنبش مولكولي) به داخل مايع، را تحت پرِس قرار مي‌دهد و آن‌قدر كوچك مي‌كند كه مشهود نيستند و تقريباً با حركت مولكولي و غلظت مايع و نيروي ارشميدسي به تعادل مي‌رسند و اين مجموعه مولكول‌ها در مايع معلق مي‌مانند و حالتي شبيه يا درواقع همان حالت انحلال گاز در مايع را به‌وجود مي‌آورند. با مرتفع شدنِ فشار روي مايع اين حالتِ پرس كردنِ مجموعه‌هاي كوچكِ مولكوليِ گاز در درون مايع بسيار كم مي‌شود و اين مجموعه مولكول‌هاي گاز براثر جنبش مولكوليِ گازي افزايش حجم مي‌يابند به‌ويژه اين‌كه ممكن است اين مجموعه‌ها دست به دست هم دهند و حباب‌هاي بزرگ‌تري تشكيل دهند كه براثر خاصيت ارشميدسي، ديگر حالت تعادليِ تعليقِ فوق‌الذكر وجود ندارد و برايند نيروي وارد بر اين حباب‌ها روبه‌بالا خواهد بود و حباب‌هاي گاز به سطح آمده و فرار مي‌كنند. به اين فرايند، گاززدايي يا degassing تحت خلأ گفته مي‌شود.

مي‌توانيد اين فرايند را به‌راحتي آزمايش كنيد: يك سرنگ 50 سي‌سي از داروخانه بخريد و سوزن آن‌را برداريد و با آن مقداري آب به‌داخل بكشيد و با وارونه كردنِ آن و فشار دادنِ پيستونِ آن هواي آن‌را خارج كنيد و سَرِ آن‌را در ظرفي آب فرو بريد درحالي‌كه با انگشتتان يا با قطعه‌اي لاستيك انعطاف‌پذير در درون آب سرِ آن‌را محكم بسته نگاه‌داشته‌ايد و درعين حال مقداري آب براي درزبندي روي قسمت بالاي پيستون بريزيد. دراين حالت پيستون را با قدرت بالا بكشيد. با اين‌كار در بالاي سطح مايعِ درونِ سرنگ خلأ ايجاد مي‌شود و مشاهده خواهيد كرد كه در درون آب حباب‌هاي زيادي ايجاد مي‌شود و تعداد زيادي از آنها شروع به بيرون آمدن به‌سمت اين خلأِ ايجاد شده مي‌كنند. (در همين‌جا مي‌توانيد تعدادي از حباب‌هاي ايجاد شده و چسبيده به ديواره، كه هنوز بر اثر تكان دادنِ سرنگ و كنده شدن از ديواره به آمدن به سوي سطح تحريك نشده‌اند، را نشان كنيد و ببينيد كه با پايين بردن پيستونِ سرنگ به روي سطح مايع آنها كوچك و ناپديد و با بالا بردن مجدد پيستون مجدداً آنها در همان نقاط نشان شده ظاهر و بزرگ مي‌شوند، و اين نشان دهنده‌ي همان حالت پرس شدن حباب‌هاي ريز هواست كه در بالا به آن اشاره شد نه تبخير مايع كه براي آن قاعدتاً تمام نقاط مايع يكسان است و هيچ نقطه‌ي مرجح و نشان‌داري وجود ندارد.) چند لحظه‌اي وضعيت را به همين حالت نگاه داريد و سعي كنيد سرنگ را تكان دهيد تا حباب‌ها از بدنه جدا شوند و به سطح بيايند و بعد اجازه دهيد پيستون به حالت اول خود برگردد. مشاهده مي‌كنيد كه حباب‌هاي درشتي كه تحت شرايط خلأ از درون مايع آزاد مي‌شوند اكنون تحت پرس فشار (غير مستقيم) هوا به يك حباب منفرد كوچك در بالاي سطح مايع تبديل شده‌اند. (روشن است كه با فرض ثابت ماندنِ دما هنگامي كه در كشيدن‌هايِ بعديِ پيستون به‌طرف بالا حجم اين حباب دهها برابر مي‌شود فشار گاز آن نسبت به فشار هواي بيرون دهها برابر كوچك مي‌شود.) اين كار (يعني ايجاد خلأ با بالا كشيدن پيستون سرنگ) را چند بار ديگر تكرار كنيد. مشاهده خواهيد كرد كه هرچه از زمان ايجاد خلأِ نخست مي‌گذرد حباب‌هاي آزاد شده كمتر مي‌شود يعني عمل گاززدايي، به‌علت ته‌كشيدنِ گازهاي محلولِ مانده در آب، كمتر مي‌شود. مسلماً اگر ايجاد اين حباب‌ها كلاً نتيجه‌ي جوش آمدنِ آب بود نبايد عمل جوش در دفعات بعد كاهش و كاهش مي‌يافت. (براي اطمينان مي‌توانيد سرنگ حاوي آبي كه به اين روش به مقدار زيادي گاززدايي شده است را در آب ولرم قرار دهيد تا دماي احتمالاً كاهش يافته‌ي آن افزايش يابد و مجدداً به‌روش فوق اين آب را تحت خلأ قرار دهيد تا ملاحظه نماييد كه عملاً عملياتِ گاززدايي و ايجاد حباب‌هاي فراوانِ مشهود در اولين مرحله‌ي خلأ سازي با سرنگ همچنان متوقف است.) توجه به اين مطلب از آن‌رو مهم است كه گاهي عمليات گاززدايي و جوش آمدن مايع تحت خلأ باهم اشتباه گرفته مي‌شود، و البته همان‌طور كه گفته شد اين درست است كه با كاهش فشار روي مايع عمل تبخير مايع بيشتر صورت مي‌گيرد و حتي ممكن است اين عمل تبخير در نقطه‌ي جوش مايع در شرايط ويژه‌ي خود صورت گيرد، و به‌هرحال عمل تبخير مايع به هر صورت كه باشد، همان‌گونه كه در مقاله‌ي «چرا تري دما را پايين مي‌آورد؟» گفته شد عملي گرماگير است كه باعث سردسازي محيط مي‌شود و حتي از اين عمل سردسازيِ تحت شرايط افزايش تبخير ناشي از خلأسازي در صنعت سرماسازها استفاده مي‌شود، اما به‌هرحال بايد بين گاززدايي و تبخير كه در يكي مولكول‌هاي گاز و در ديگري مولكول‌هاي مايع به‌صورت گاز از درون مايع آزاد مي‌شوند تفاوت قائل شد و آنها را ازهم تشخيص داد. اگر آزمايش فوق را با روغن نيز انجام دهيد فرايند آزادسازي حباب‌ها تحت فرايند گاززدايي را به‌طور مشابه مشاهده خواهيد كرد درحالي‌كه مسلماً تحت شرايط مشابه، فشار بخار روغن بسيار كمتر از فشار بخار آب است.

درواقع عمليات گاززداييِ تحت خلأ، نيز مانند عمليات تبخير، فرايندي گرماگير يا سرماساز است. وضعيت به‌طور ساده اين‌گونه است كه مولكول‌هاي گاز محلول در مايع، درحالِ جنب و جوش مولكولي در تعامل با مولكول‌هاي مايع (و احياناً خودشان) مي‌باشند و همان‌گونه كه مولكول‌هاي مايع براي فرار از مايع به‌صورت گاز، نياز به انرژي اضافه‌اي دارند كه از بدنه‌ي ظرف (به‌صورت گرما) به آنها داده شود مولكول‌هاي گاز نيز براي فرار از مايع نياز به چنين انرژي اضافه‌اي دارند و بنابراين جدا شدن آنها از مايع در فرايند گاززدايي توأم است با گرفتن انرژي اضافه‌اي از چشمه‌ي گرما، و اين يعني سرماسازي.