التبخر (بالإنگليزية: evaporation) هوعملية فيزيائية يحدث فيها تحول جزيئات المادة من الحالة السائلة إل الحالة الغازية بعمل الحرارة. وهوعكس عملية التكثف.

ويحدث في جميع درجة حرارة ممكنة. ويمكن حتى يتم التبخر في الخلاء أوبوجود غاز يعلوالسائل؛ ويكون التبخر في الخلاء سريعاً وصاخباً ويصيب داخل السائل؛ أما إذا كان يعلوالسائل غاز يؤثر فيه بضغطٍ كافٍ فإن التبخرقد يكون بطيئاً ولا يصيب إلا سطح السائل. وفي كلتا الحالتين، إذا كان الحجم المتاح للبخار محدوداً، يتوقف التبخر عندما يبلغ ضغط البخار فوق السائل قيمة عظمى، ويوصف هذا الضغط الأعظمي بأنه ضغط بخار السائل الإشباعي ضش، وهويختلف باختلاف طبيعة السائل ولا يتوقف في حالة السائل الواحد النقي إلا على درجة حرارته ويزداد بازديادها.

أما إذا كان الجوالغازي غير محدود أومتجدداً، فتتوقف سرعة التبخر على عوامل عديدة منها طبيعة السائل ودرجة حرارته والضغط الواقع عليه من جميع الغازات (ض) والضغط الجزئي ضف الناتج عن بخاره فقط. وقد عثر دلتون Dalton حتى هذه السرعة سر تتناسب طرداً مع الفرق بين الضغط ضش وضف لبخار السائل في جوالغاز الخليط، كما تتناسب هذه السرعة عكساً مع ضغط الغاز الكلي، أي: image: 1631-2.jpg حيث يشير ب على معامل يتعلق بسرعة تجدد الغاز فوق السائل وهويزداد بازديادها.

النظرية

توازن تبخري

${\displaystyle \ln \left({\frac {P_{2 {P_{1 \right)=-{\frac {\Delta H_{vap {R \left({\frac {1 {T_{2 -{\frac {1 {T_{1 \right)$

where P₁, P₂ are the vapor pressures at temperatures T₁, T₂ respectively, ΔH_vap is the enthalpy of vaporization, and R is the universal gas constant. The rate of evaporation in an open system is related to the vapor pressure found in a closed system. If a liquid is heated, when the vapor pressure reaches the ambient pressure the liquid will boil.

تقضي النظرية الجزيئية بأن السائل يتألف من جزيئات molecules دائمة الحركة بسرعات تزداد بازدياد درجة حرارته، وينجم تبخر السائل عن حتى جزيئاته الأكثر سرعة تفلح في التخلص من جذب جزيئات السائل الأخرى عند سطحه فتنفلت من هذا السطح متحولة إلى بخار، ولكن بعضها ما يلبث حتى يصطدم بسطح السائل فيعود إلى حالة السيولة، وفي الوقت نفسه تهجر بعض الجزيئات السائل وتتحول إلى بخار. وما دام البخار فوق السائل غير مشبع فإن عدد جزيئات السائل التي تفلت من السطح في واحدة الزمن وتصير بخاراًقد يكون أكبر من عدد جزيئات البخار التي تتحول إلى سائل في الزمن نفسه، فتزداد بذلك كثافة البخار ويزداد ضغطه ويستمر هذا الازدياد إلى حتى يساوي عددُ جزيئات البخار المتحولة إلى سائل في واحدة الزمن عددَ جزيئات السائل المتحولة إلى بخار في الزمن نفسه فتبلغ كثافة البخار حينئذ أقصى حد ممكن لها في درجة حرارته، وينطق عندئذ إذا البخار صار مشبعاً وأنه في حالة توازن تحريكي مع سائله. ويختلف هذا البخار المشبع مع سائله عن الغاز في حتى تكبير حجم أوتصغيره لا يؤثر، مادام مشبعاً، في كثافته أوضغطه إذا بقيت درجة حرارته ثابتة، أي أنه لا يخضع لقانون بويل ـ ماريوط. أما إذا وقع التبخر في الهواء الطلق كأن يوضع صحن ملئ بالماء مثلاً في غرفة مفتوحة، فإن من الراجح ألا تعود الجزيئات البخارية إلى السائل وتتكاثف إذا لم يكن جوالغرفة مشبعاً، ويكون عدد الجزيئات المتحولة إلى بخار أكبر بكثير من تلك التي تعود لتتكاثف، ويستمر التبخر في هذه الحالة إلى حتى يتبخر الماء كلّه.

تغير الضغط الإشباعي للبخار بتغير درجة الحرارة حين تزداد درجة الحرارة يزداد الضغط الأعظمي للبخار ببطء في البداية ثم يتسارع ازدياده، وحدثا كان السائل أكثر تطايراً كان تسارع ازدياد ضغطه أكبر. ويبين الشكل المظهر العام لتغير ضغط البخار الإشباعي ض بتغير درجة الحرارة دْ؛ ويمثل المنحني أب تغير ضغط بخار الجسم الصلب، في حين يمثل المنحني ب جـ تغير ضغط بخار الجسم السائل، وهوينتهي عند النقطة جـ التي تسمى درجة الحرارة الموافقة لها الدرجة الحرجة للجسم السائل، وتعرَّف بأنه من المحال تمييع البخار أوالغاز في درجة حرارة أعلى منها مهما كان الضغط المطبق عليه. وتصبح الخواص الفيزيائية للسائل وبخاره واحدة فيما بعد الدرجة الحرجة.

ويكون الضغطان الأعظميان لبخار الجسم الصلب وبخار الجسم السائل متساويين عند النقطة ب المسماة النقطة الثلاثية إذ يحدث عندها توازن بين حالات أوأطوار الجسم الثلاث: الصلبة والسائلة والغازية. ويَقْسِمْ منحني توازن السائل مع بخاره مستوى الشكل إلى منطقتين توافق المنطقة العليا حالات مستقرة للسائل وحده، في حين توافق السفلى حالات مستقرة لبخارٍ ليس على تماس مع سائله وذي ضغوط أقل من ضغط البخار المشبع، ويوصف بخار كهذا بأنه جاف وتكون خواصه كخواص الغاز يخضع بتقريب أولي إلى قانون بويل ـ ماريوط، وحينقد يكون ضغط البخار بعيداً جداً عن ضغط الإشباع لا يعود هناك فرق بينه وبين الغاز. وللانتنطق من حالة البخار إلى الحالة السائلة يجب إما إنقاص درجة الحرارة تحت ضغط ثابت أوزيادة الضغط في درجة حرارة ثابتة. ويمكن كذلك ملاحظة توازنات شبه مستقرة بين السائل وبخاره فيما بين النقطة الثلاثية والنقطة الحرجة تكون ناجمة عن تأخر في تكاثف البخار، وفيهاقد يكون السائل موجوداً مع بخاره الذي يسمى فوق المشبع supersaturated، ويكون ضغطه أكبر من ضغط البخار المتوازن توازناً مستقراً في درجة الحرارة المعتبرة. هذا ويمكن العبور من إحدى المنطقتين إلى الأخرى دون المرور بوضع يتوازن فيه السائل مع بخاره وذلك بالالتفاف من علٍ حول النقطة الحرجة جـ. صيغ رياضية للدالة ض = تا(د) إن للعلاقة بين الضغط الأعظمي لبخار السائل ودرجة حرارته أهمية كبيرة في حالة الماء، والصيغة التجريبية هي:  image:1631-3.jpg

حيث ض هوالضغط الأعظمي لبخار الماء مقدراً بالكيلوغرام/سم2 (أي بالضغط الجوي تقريباً) وحيث د: درجة الحرارة المئوية (سلزيوس). وتصح هذه العلاقة بارتياب نسبي صغير (آحاد في المئة) من أجل درجات الحرارة ما بين 100ْس و200ْس. وتعود الأهمية الأساسية لهذه الصيغة إلى سهولة تطبيقها. وهناك صيغ أخرى عامة تستند إلى اعتبارات نظرية منها: image:1631-4

حيث د: درجة الحرارة المطلقة، أ، ب ثابتان يتوقفان على طبيعة السائل ومنها: image:1631-5

حيث α وß وγ ثوابت تتوقف كذلك على طبيعة السائل. وكلا الصيغتين تُستنتجان من معادلة كلابيرون Clapeyron: image:1631-6

حيث حس: الحجم النوعي للسائل؛ حب: الحجم النوعي لبخاره وخ: حرارة استبخار السائل في الدرجة المطلقة د . (الحجم النوعي لمادة هوحجم واحدة الكتل منها) وتزداد الدقة في الصيغتين (2) و(1) حدثا ابتعدت درجة الحرارة د عن النقطة الحرجة.

حرارة الاستبخار

إن تحول الجسم السائل إلى بخار يصحبه دائماً امتصاص كمية من الحرارة تنطلق من هذا البخار حين يتحول إلى سائل مرة أخرى؛ وتسمى هذه الحرارة بحرارة استبخار السائل، وهي تتوقف على نوع السائل وعلى درجة الحرارة التي استبخر فيها؛ فإذا لم يأخذ السائل المتبخر الكمية من الحرارة اللازمة لاستبخاره من منبع حراري أخذها من السائل المستبخر نفسه ومن الأجسام الملامسة له. ففي هذه الحالة تكون عملية التبخر إذن عملية تبريد في الوقت نفسه، وتزداد شدتها بازدياد سرعة التبخر. والأمثلة على التبريد الناجم عن التبخر كثيرة لا تُحصى كالبرودة الناجمة عن تبخر بعض المواد الشديدة التطاير كالإيتر والكحول وتبخر الماء على سطوح الجرار وعن جسم الإنسان ولاسيما عندما تكون الأجسام المبلولة عرضة لتيار من الهواء الجاف. ويستفاد من التبريد المصحوب بالتبخر في عمليات كثيرة من أشهرها خلق الجليد وحفظ الأطعمة والمشروبات باردة في خزائن التبريد.

وإذا أُعطي السائل المتبخر حرارة من منبع حراري فإن قسماً من هذه الحرارة يُصرف في حمل درجة حرارته، ويُصرف القسم الآخر في الاستبخار، ويبقى الأمر كذلك إلى حتى تصل درجة حرارة السائل المتبخر درجة غليانه تحت الضغط السائد فتبقى حينئذ درجة حرارته ثابتة وتُصرف جميع الحرارة المأخوذة من المنبع الحراري في عملية الاستبخار. وتعهد حرارة استبخار سائلٍ بأنها عدد الحريرات اللازمة لتحويل غرام من هذا السائل وهوفي درجة حرارة معينة (درجة غليانه) إلى بخار مشبع في درجة الحرارة نفسها. ويبين الجدول 1 حرارة استبخار بعض السوائل في درجات غليانها العيارية. أي ضغط بخارها المشبع يساوي الضغط الجوي النظامي.

السائل

الماء

الإيتر

الكحول الإيتيلي

الأمونياك

الزئبق

حرارة الاستبخار حريرة/غرام

539

88

208

321

77

الجدول (1)

حرارة الاستبخار حريرة/غرام

وتقاس حرارة الاستبخار بإحدى الطرائق المألوفة لقياس كمية الحرارة، فإذا كانت كتلة السائل الذي تحوّل إلى بخار ك (غرام) وكانت ن حرارته النوعية وخ حرارة استبخاره عند الغليان تحت الضغط ض وفي درجة الحرارة د، وكانت كَ السعة الحرارية للمثمن ولما يحويه من ماء وكانت د1 درجة الحرارة في بدء التجربة ود2 في نهايتها فإن: image:1631-7.jpg

(كمية الحرارة التي خسرها البخار) = (كمية الحرارة التي اكتسبها المثمن) وقد أجمل رينولت Regnault نتائج قياساته لحرارة استبخار الماء بالعلاقة: خ = 606.5 - 0.695 دْ

حيث قدِّرت خ بالحريرة لكل غرام؛ وهي علاقة دقيقة تقريباً فيما بين الدرجتين 50ْس و200ْس. ومن الأفضل حساب حرارة الاستبخار بوجه عام استناداً إلى معادلة كلابيرون (العلاقة 3). كذلك يمكن حساب حرارة استبخار السائل اعتماداً على حتى التغير في حجم السائل المستبخر يرافقه القيام بعمل هو: image:1631-8.jpg

إذا تم ذلك في درجة حرارة ثابتة وكان ضغط البخار ض ثابتاً؛ وينتج من المبدأ الأول في التحريك الحراري [ر]، أي: Δ طا= كح ـ عم، حتى تغير الطاقة الداخلية طدبـ طدس يساوي:

image:1631-11.jpg

أي إذا حرارة الاستبخار تساوي الفرق بين انطلبية السائل وانطلبية البخار.

الاستخدامات

بخر الاشتعال

Fuel droplets vaporize as they receive heat by mixing with the hot gases in the combustion chamber. Heat (energy) can also be received by radiation from any hot refractory wall of the combustion chamber.

ترسيب الرقاقي

Thin films may be deposited by evaporating a substance and condensing it onto a substrate.

انظر أيضاً

• Atmometer (evaporimeter)
• بلورة
• تحلية المياه
• تقطير
• تجفيف
• مجفـِف
• Evapotranspiration
• Flash evaporation
• حرارة تبخر
• الحرارة الكامنة
• Pan evaporation
• نتح

المصادر

وصلات خارجية

• MSN Encarta article on evaporation
• Evaporation of water