غليان

غليان Boiling هوتبخر داخلي صاخب لسائل، وهويحدث عندما ترتفع درجة حرارة السائل مقداراً كافياً تحت ضغط معيّن، فتتكون فقاقيع غازية صغيرة داخل السائل حيث يلامس السائل قعر الإناء الحمي، وهي تتألف من خليط من بخار السائل المُشْبَع ومن الهواء الذي كان محلولاً في السائل، أوكان على شكل طبقة رقيقة جداً بين السائل سقطر الإناء، وعندما يزداد ازدياد درجة الحرارة يزداد حجم الفقاقيع وتصعد، حتى إذا وصلت إلى سطح السائل انفجرت وخرج ما فيها من بخار، ويشاهد السائل حينئذ في حالة جيشان ناشئٍ عن صعود الفقاقيع فيه.

ويخضع غليان سائل نقي إلى قانونين أساسيين:

1 - يغلي السائل الواقع تحت ضغط معين عند درجة حرارة ثابتة لا تتوقف إلا على طبيعة السائل النقي وعلى الضغط المؤثر فيه، وتسمى هذه الدرجة نقطة غليان السائل تحت هذا الضغط.

2 - درجة حرارة غليان سائل نقي هي الدرجة التيقد يكون عندها ضغط بخاره الإشباعي مساوياً ضغط الجوالغازي المؤثر فيه. ويبين الجدول درجات غليان بعض السوائل تحت الضغط الجوي العياري وهو760مم زئبق.

الماء 100.00 ْس

الآزوت 15908 ْس

الإتير العادي 3406 ْس

الأكسجين -183.0 ْس

الكحول الإتيلي 7803 ْس

الهدروجين - 252.8 ْس

الزئبق 357 ْس

وينجم عن هذا القانون الأخير نتائج مهمة عديدة:

أ - ازدياد درجة حرارة غليان سائل بازدياد الضغط المطبَّق عليه، فمثلاً تتغير درجة غليان الماء بالقرب من 100 ْس بمقدار درجة واحدة إذا اختلف الضغط عن 760مم زئبق بمقدار 27.2مم زئبق، فمثلاً تساوي هذه الدرجة 96 ْس حيث يبلغ الضغط نحو650مم زئبق. كثيراً ما يعيَّن الضغط الجوي في مكانٍ ما بتعيين نقطة غليان الماء فيه. كذلك يُستفاد من تعيين نقطة غليان الماء في مسقطٍ ما لفهم ازدياد هذا المسقط عن سطح البحر، إذ حدثا ازداد الارتفاع عن سطح البحر بمقدارعشرة أمتار هبط الضغط الجوي بمقدار 1مم زئبق، أي ما يقابل نقصان نقطة غليان بمقدار 1/27 ْ س، ويسمى الجهاز المستعمل لهذا الغرض مقياس الارتفاع أوالهبسومتر hypsometer.

ب - إذا سخِّن السائل في إناء مغلق فيه جوغازي كالهواء، وكانت درجة حرارة أقسام الإناء جميعها متجانسة؛ فإن السائل لا يغلي مهما رُفعت درجة حرارته، ذلك لأن الضغط المطبق على السائل يساوي في أي درجة حرارة الضغطَ الإشباعي لبخار السائل مضافاً إليه ضغط الغاز، أي أنهقد يكون دائماً أكبر من ضغط بخار السائل الإشباعي؛ وعلى هذا يمكن الحصول على درجات حرارة أعلى من 100 ْس في الموصدات أوالمحمَّات autclave، ويستفاد من هذا الأمر عملياً في خلق قِدْرٍ للطبخ في درجات حرارة أعلى من 100 ْس، وهويتألف من وعاء متين الجدران يتحمل ضغطاً كبيراً ويثبَّت عليه بإحكام غطاء مزوَّد بصمام ينفتح تلقائياً عندما يبلغ الضغط قيمة معينة تراوح بين 1.5 ضغط جوي وضغطين جويين، وعندما ينفتح الصمام يبدأ الماء بالغليان في درجة حرارة تصل 120 ْس، وذلك عندما يبلغ الضغطُ ضغطين جويين. وتجهَّز القِدر بدسام أمان يمنع انفجار القدر إذا ارتفع الضغط ارتفاعاً مفاجئاً.

جـ - لا يمكن لسائل حتى يغلي إلا إذا تمكّن بخاره من الإفلات، أوإذا استُعمل جهاز لتكثيف هذا البخار بتبريده، وهذه هي حالة التقطير distillation، التي تعتمد على مبدأ الجانب الأبرد أومبدأ واط، وهوينص على أنه إذا اختلفت درجة الحرارة في مناطق مختلفة من حيِّز محدود أومغلق يحوي بخاراً مشبعاً، أي ملامساً سائله؛ فإن هذا السائل لا يستقر في هذا الحيز المحدود إلى أبرد منطقة في الحيز، ويصبح ضغط بخاره حينئذ مساوياً للضغط الإشباعي الموافق لدرجة حرارة هذه المنطقة، ويمكن تحقيق التقطير تحت الضغط الجوي في الهواء الطلق أوتحت ضغط أقل، وميزته خفض نقطة غليان السائل، فالغليسِّرول مثلاً يغلي عند الدرجة 290 ْس تقريباً تحت الضغط الجوي لكنه يتفكك، في حين أنه يغلي في الدرجة 160 ْس تقريباً تحت ضغط مقداره 10مم زئبق من دون حتى يتفكك، كذلك يُحترز من حمل حرارة النتروغليسيرول عند تقطيره لأنه سريع الانفجار.

د - إذا عثر في وعاء مغلي سائل يعلوه بخاره وحسب، أي كان في حالة توازن مع بخاره، فإنه يمكن جعله يغلي في مختلف درجات الحرارة من دون تزويده بالحرارة، ويكفي لذلك حتى يبرَّد جانب من الوعاء يلامس البخار فيتكاثف هذا البخار ويختل التوازن ويبدأ السائـل بالغليـان. وغلاّية فـرانْكلِن Franklin؛ وهي تتألف من حوجلة زجاجية طويلة الرقبة أُحكم إغلاقها بعد حتى أُخرج هواؤها كلُّه، فإذا صُبَّ ماء بارد على جانبها وهي مقلوبة، غلا ماؤها بشدة وإن كان فاتراً.

أثبتت التجارب أنه إذا كان السائل المراد غلْيُهُ نقياً من الشوائب، ولاسيما من غازات ذائبة فيه؛ فإنه يمكن حمل درجة حرارة غليانه درجات عدة من دون حتى يغلي، أي يتأخر الغليان. ولكن ما إذا ترتفع درجة حرارة السائل فوق نقطة غليانه بمقدار كافٍ حتى يأخذ فجأة بالغليان بشدة، وبما يشبه الانفجار. وتُمنع ظاهرة تأخر الغليان بإلقاء بتر من الخزف أومن مادة مسامية أخرى تحمل هواء بين مسامها.

الحماوة الكروية calefaction

هناك ظاهرة تبدولأول وهلة كأنها ظاهرة تأخر عن الغليان، وهي تحدث إذا صُبَّ سائلٌ باردٌ على سطح معدني حار جداً درجة حرارته أعلى كثيراً من نقطة غليان السائل، فيُرى أنه تتكون قطرات كروية تتحرك على السطح المعدني حركة راسيرة مضطربة من دون حتى تغلي، وسبب ذلك تكوُّنُ طبقة رقيقة من بخار السائل تحمل القطرة وتحول دون ملامستها السطح الحار. وتتوقف هذه الظاهرة عندما يبرد السطح المعدني، فتبدأ القطرات بالغليان الشديد المصحوب بتناثر أجزائها. وقد يحدث سبب انفجار بعض المراجل البخارية ناشئاً عن انطلاق الأبخرة بشدة كبيرة عندما تتوقف ظاهرة الحماوة.