نقطة الغليان

قياس نقطة الغليان

كذلك، في الطريقة الشعرية، توضع كمية صغيرة من السائل في أنبوب مناسب مع أنبوب شعري، ثم تُسخن العينة تدريجيًا. ويمكن الاستدلال على نقطة الغليان من تكوّن فقاعات مستمرة داخل العينة ونموها عند بلوغ شرط الغليان، مع تسجيل درجة الحرارة والضغط الخارجيين. ويجب أن يكون التسخين منتظمًا، وأن تكون وسيلة قياس درجة الحرارة مناسبة لمجال القياس.

إضافةً إلى ذلك، يمكن تعيين نقطة الغليان تجريبيًا بطرائق مختلفة، ويعتمد اختيار الطريقة على طبيعة المادة ونقاوتها وكمية العينة والضغط الذي يُجرى عنده القياس. ومن الطرق المستعملة الطريقة الشعرية، والإبيليومتر، والتقطير، وبعض طرائق التحليل الحراري.

كذلك، وتتطلب القياسات الدقيقة استخدام عينة ذات نقاوة معلومة، وضبطًا مناسبًا لمعدل التسخين، وقياسًا دقيقًا لدرجة الحرارة والضغط. وقد تتحلل بعض المواد قبل الوصول إلى درجة حرارة يمكن عندها تحديد نقطة غليانها، ولذلك ينبغي التمييز بين نقطة الغليان ودرجة الحرارة التي يبدأ عندها التحلل الكيميائي للمادة.

العوامل المؤثرة في نقطة الغليان

علاوةً على ذلك، عند ثبات الضغط الخارجي، تعتمد نقطة الغليان على طبيعة المادة وقوى التجاذب بين جسيماتها. فكلما ازدادت قوة التجاذب التي تربط الجسيمات في الطور السائل، ازدادت عادةً الطاقة اللازمة لتحويل المادة إلى الطور الغازي، وارتفعت درجة الحرارة اللازمة لحدوث الغليان. لذلك لا يحدد نقطة الغليان عامل واحد منفرد، بل تتأثر بمجموعة من العوامل المرتبطة بالبنية الجزيئية وطبيعة التجاذب بين الجسيمات.

المادة النقية والمخاليط

في هذا الإطار، وتؤثر الكتلة المولية والبنية الجزيئية كذلك في نقطة الغليان، ولا سيما عند مقارنة مركبات متشابهة. فزيادة عدد الإلكترونات والحجم الجزيئي تؤدي غالبًا إلى زيادة قابلية الاستقطاب وقوى تشتت لندن، ولذلك تميل نقطة الغليان إلى الارتفاع مع زيادة الكتلة المولية ضمن سلاسل من المركبات المتشابهة في البنية. وفي المقابل، يؤدي التفرع غالبًا إلى تقليل مساحة التلامس الفعالة بين الجزيئات، فتضعف قوى تشتت لندن وتنخفض نقطة غليان بعض المتماكبات المتفرعة مقارنةً بالمتماكب الخطي. ولا تمثل هذه الاتجاهات قواعد عامة مستقلة، إذ يمكن للقطبية والروابط الهيدروجينية والاختلافات البنيوية أن تغير الترتيب المتوقع.

من جهة ثانية، ولا تمتلك جميع المواد نقطة غليان يمكن قياسها مباشرة؛ فقد تتحلل بعض المركبات كيميائيًا عند التسخين قبل الوصول إلى درجة غليانها أو قبل حدوث غليان قابل للرصد. وفي هذه الحالة لا تُعد درجة التحلل نقطة غليان حقيقية للمادة.

كذلك، تؤدي قوى التجاذب بين الجزيئات دورًا أساسيًا في تحديد نقطة الغليان. وتشمل هذه القوى قوى تشتت لندن، وقوى ثنائي القطب–ثنائي القطب، والروابط الهيدروجينية. وتوجد قوى تشتت لندن بين جميع الجزيئات، بينما تظهر قوى ثنائي القطب بين الجزيئات القطبية، ويمكن للروابط الهيدروجينية أن تزيد التجاذب بين بعض الجزيئات بدرجة كبيرة. ولذلك تميل المواد التي تكون قوى التجاذب بين جسيماتها أقوى إلى امتلاك نقاط غليان أعلى عند الضغط نفسه.

الأزيوتروبات

علاوةً على ذلك، الأزيوتروب هو خليط يتساوى عند حالة معينة تركيب الطور البخاري فيه مع تركيب الطور السائل. ولذلك يمكن أن يغلي عند تركيب ثابت ودرجة حرارة ثابتة عند ضغط معين، وتحد هذه الخاصية من إمكانية فصل مكوناته بالتقطير التقليدي.

التاريخ

وفي السياق ذاته، ارتبط تطور مفهوم نقطة الغليان تاريخيًا بتطور قياس الضغط ودرجات الحرارة. فبعد اختراع البارومتر عام 1643، أصبح من الممكن دراسة العلاقة بين الضغط الجوي ودرجة غليان الماء بصورة أكثر دقة.

إضافةً إلى ذلك، وفي سنة 1742 اقترح عالم الفلك السويدي أندرس سلسيوس مقياسًا حراريًا يعتمد على نقطتي تجمد الماء وغليانه بوصفهما نقطتين مرجعيتين لمعايرة مقياس الحرارة. وقد أجرى سلسيوس قياسات عند ضغوط جوية مختلفة، ولاحظ أن درجة غليان الماء تتغير بتغير الضغط الجوي. وكان مقياسه الأصلي معكوسًا مقارنةً بالمقياس المستعمل في الوقت الحالي؛ إذ جعل درجة غليان الماء عند 0 °م، ودرجة تجمده عند 100 °م. وعُكس ترتيب النقطتين لاحقًا، فأصبح تجمد الماء عند 0 °م وغليانه عند 100 °م عند الضغط الجوي المرجعي.

إضافةً إلى ذلك، وفي سنة 1954 قرر المؤتمر العام للأوزان والمقاييس اعتماد النقطة الثلاثية للماء نقطةً ثابتة أساسية للمقياس الديناميكي الحراري، وأُسندت إليها درجة حرارة مقدارها 273.16 كلفن بالضبط. وكان اعتماد النقطة الثلاثية جزءًا من تحديد مقياس درجة الحرارة الديناميكي الحراري، مع استمرار استخدام نقاط ثابتة أخرى في القياس العملي.

من جانب آخر، وبين عامي 1954 و2019 عُرّف الكلفن بالاعتماد على درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء. ثم أُعيد تعريفه في عام 2019 بتثبيت القيمة العددية لثابت بولتزمان عند 1.380649×10⁻²³ جول·كلفن⁻¹. وبذلك أصبح تعريف الكلفن مستقلًا عن خواص الماء، بما في ذلك درجة حرارة نقطته الثلاثية، مع بقاء النقطة الثلاثية مرجعًا مهمًا لتحقيق درجات الحرارة ومعايرتها عمليًا.

الغليان والتبخر

من جانب آخر، وهما تحولان طوريان ماصان للحرارة؛ إذ يتطلب انتقال السائل إلى الحالة الغازية اكتساب طاقة للتغلب على قوى التجاذب بين جسيماته. غير أن التبخر لا يتطلب بلوغ السائل درجة غليانه، إذ يمكن أن يحدث عند درجات حرارة أقل منها.

من جهة ثانية، ولا ينبغي الخلط بين بخار الماء والضباب الأبيض المرئي فوق الماء المغلي؛ فبخار الماء غاز لا يُرى عادةً، بينما يتكوّن المظهر الأبيض المرئي غالبًا من قطرات دقيقة من الماء السائل ناتجة عن تكاثف جزء من البخار عند اختلاطه بالهواء الأبرد.

كذلك، الغليان والتبخر كلاهما تحول من الطور السائل إلى الطور الغازي، لكنهما يختلفان في موضع حدوث التحول وطبيعته. ففي التبخر تنتقل بعض الجزيئات من سطح السائل إلى الوسط المحيط، ويمكن أن يحدث ذلك عند درجات حرارة أدنى من نقطة الغليان. أما الغليان فيحدث في جميع أجزاء السائل، ويترافق مع تكوّن فقاعات بخارية داخله ثم صعودها إلى سطحه عندما يتساوى ضغط البخار مع الضغط الخارجي عند درجة حرارة وضغط محددين.

إضافةً إلى ذلك، ويحدث التبخر عند السطح الفاصل بين السائل والغاز، في حين يتميز الغليان بتكوّن البخار داخل السائل وفي جميع أجزائه. ويعتمد معدل التبخر على درجة الحرارة وطبيعة السائل والظروف المحيطة، ومنها درجة تجدد الهواء وإزالة البخار المتراكم قرب السطح.

النقطة الفقاعية ونقطة الندى

علاوةً على ذلك، النقطة الفقاعية هي الحالة التي تبدأ عندها أول فقاعة بخارية بالتكوّن في سائل عند تسخينه أو خفض ضغطه، في حين أن نقطة الندى هي الحالة التي تبدأ عندها أول قطرة سائلة بالتكوّن من بخار عند تبريده أو زيادة ضغطه. وتختلف النقطتان عادةً في المخاليط، لأن تركيب الطور البخاري يختلف عن تركيب الطور السائل.

المادة النقية

علاوةً على ذلك، تغلي المادة النقية عند درجة حرارة محددة عند ضغط معين، لأن تركيبها الكيميائي ثابت، ويعتمد ضغط بخارها عند الاتزان على درجة الحرارة. وتظل درجة حرارتها ثابتة على وجه التقريب أثناء الغليان عند ضغط ثابت، ما دام التحول الطوري مستمرًا ولم يحدث تحلل كيميائي للمادة.

ضغط البخار ونقطة الغليان

علاوةً على ذلك، وترتبط نقطة الغليان بضغط البخار ارتباطًا مباشرًا؛ فعند ضغط خارجي معين تبدأ المادة بالغليان عندما يصبح ضغط بخارها المشبع مساويًا للضغط الخارجي، فتستطيع فقاعات البخار الاستمرار داخل السائل بدلًا من الانهيار. ولذلك تقابل كل قيمة للضغط، ضمن مجال وجود الطورين السائل والبخاري، درجة حرارة تشبع معينة، وتكون درجة حرارة التشبع للمادة النقية عند ضغط معين مساوية لنقطة غليانها عند ذلك الضغط.

إضافةً إلى ذلك، ينشأ ضغط البخار المشبع من الاتزان الديناميكي بين الجزيئات التي تنتقل من السائل إلى البخار والجزيئات التي تعود من البخار إلى السائل؛ فعند الاتزان يتساوى معدلا التبخر والتكاثف على المستوى الماكروسكوبي. ويعتمد ضغط البخار المشبع لمادة نقية على درجة الحرارة، إذ يزداد بارتفاعها نتيجة ازدياد عدد الجزيئات القادرة على مغادرة الطور السائل.

من جانب آخر، وعلى منحنى الاتزان بين السائل والبخار، تقابل كل درجة حرارة ضغط بخار مشبع معين، ويمكن استخدام هذه العلاقة لتحديد نقطة الغليان عند ضغط معلوم أو الضغط الموافق لدرجة حرارة معلومة. ويستمر منحنى الاتزان بين السائل والبخار حتى النقطة الحرجة، حيث يختفي الحد الفاصل بين الطورين السائل والغازي.

وفي هذا السياق، ضغط البخار هو الضغط الذي يؤثر به بخار مادة نقية عند درجة حرارة معينة عندما يكون في حالة اتزان مع طورها المكثف، سواء كان سائلًا أو صلبًا. ويُسمى الضغط الذي يؤثر به البخار في حالة الاتزان مع الطور السائل ضغط البخار المشبع.

ارتفاع نقطة الغليان

وفي السياق ذاته، يمكن أن تؤدي إضافة مذاب غير متطاير إلى سائل إلى رفع نقطة غليان المذيب، لأن وجود المذاب يخفض ضغط بخار المذيب عند درجة الحرارة نفسها. ولذلك يحتاج المحلول إلى درجة حرارة أعلى حتى يتساوى ضغط بخاره مع الضغط الخارجي. ويُعد ارتفاع نقطة الغليان من الخواص الجامعة للمحاليل المخففة، ويعتمد مقداره على طبيعة المذيب وكمية المذاب.

نقطة غليان الماء عند ضغوط مختلفة

ومن ناحية أخرى، توضح القيم أن زيادة الضغط الخارجي ترفع درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط البخار المشبع للماء مع الضغط الخارجي، في حين يؤدي خفض الضغط إلى انخفاض نقطة الغليان. وتختلف القيم المنشورة قليلًا باختلاف دقة البيانات والجداول الحرارية المستعملة.

من جانب آخر، تتغير نقطة غليان الماء مع تغير الضغط الخارجي. ويبين الجدول الآتي بعض القيم التقريبية لدرجة غليان الماء عند ضغوط مختارة:

التطبيقات

علاوةً على ذلك، وتُستعمل نقطة الغليان، إلى جانب خواص فيزيائية وكيميائية أخرى، في المساعدة على التعرف إلى بعض المواد وتقييم نقاوتها، ولا سيما عند مقارنة القيمة المقاسة بقيمة مرجعية عند الضغط نفسه.

في هذا الإطار، تدخل نقطة الغليان في عدد من التطبيقات العلمية والهندسية. ففي قدر الضغط يؤدي ارتفاع الضغط داخل الوعاء إلى رفع درجة غليان الماء، مما يسمح بالطهي عند درجة حرارة أعلى من درجة غليانه في الضغط الجوي المعتاد.

• طالع كذلك
• نقطة الوميض
• درجة حرارة حرجة
• نقطة ثلاثية

علاوةً على ذلك، وتُستغل فروق التطاير وضغوط البخار بين مكونات المخاليط في التقطير لفصلها، كما يمكن إجراء التقطير تحت ضغط منخفض لخفض درجات الحرارة اللازمة لفصل بعض المواد الحساسة للحرارة. وتدخل بيانات الاتزان بين السائل والبخار ونقاط الغليان في تصميم معدات الفصل والعمليات الحرارية التي تتعامل مع السوائل والمواد المتطايرة.

غليان المخاليط

علاوةً على ذلك، يبدأ غليان الخليط عند درجة الحرارة التي يصبح عندها ضغط البخار الكلي مساويًا للضغط الخارجي. وخلافًا للمادة النقية، قد تتغير درجة حرارة الخليط وتركيب الطورين السائل والبخاري أثناء استمرار الغليان، ولذلك لا يغلي الخليط عادةً عند درجة حرارة ثابتة واحدة.

ومن جهة أخرى، يختلف غليان المخاليط عن غليان المواد النقية، لأن الخليط يتكون من مكونين أو أكثر تختلف مكوناته في تطايرها وضغوط بخارها. ويعتمد ضغط البخار الكلي للخليط على درجة الحرارة وتركيب الطور السائل وخواص مكوناته.

الآلية الفيزيائية

كذلك، وقد لا يبدأ الغليان المرئي فور بلوغ درجة الغليان إذا لم تتوافر مواقع تنوي مناسبة؛ إذ يمكن للسائل عندئذ أن يُسخن إلى درجة تتجاوز درجة غليانه دون أن تبدأ فيه الفقاعات، في حالة تُعرف بـالسخونة الفائقة. وتكون هذه الحالة غير مستقرة، ويمكن لاضطراب السائل أو ظهور موقع تنوي مناسب أن يؤدي إلى تكوّن فقاعات البخار بصورة مفاجئة.

ومن جهة أخرى، يرتبط الغليان بانتقال المادة من الطور السائل إلى الطور الغازي عندما يصبح تكوّن البخار داخل السائل ممكنًا عند الضغط ودرجة الحرارة المعينين. وعند بلوغ شرط الغليان، يمكن لفقاعات البخار أن تتكوّن داخل السائل بدلًا من اقتصار تحول السائل إلى بخار على سطحه، ثم تنمو هذه الفقاعات مع استمرار انتقال الحرارة إلى السائل. ويرتبط تكوّنها بإنشاء سطح فاصل بين الطورين السائل والغازي، وهو ما يتطلب طاقة، ولذلك لا يكفي بلوغ درجة الغليان النظرية وحده لضمان ظهور الفقاعات فورًا.

من جهة ثانية، تبدأ أغلب فقاعات الغليان عند مواقع تنوي موجودة في السائل أو على الأسطح الصلبة، مثل التجاويف والعيوب المجهرية التي يمكن أن تساعد على تكوّن نوى البخار. ويُعرف الغليان الذي تتكون فيه الفقاعات عند هذه المواقع باسم الغليان بالتنوي (nucleate boiling)، وهو النمط المعتاد للغليان على الأسطح المسخنة. وتؤثر خصائص السطح، مثل بنيته المجهرية وقابليته للابتلال، في سهولة تكوّن الفقاعات ومواقع ظهورها.

درجة الغليان العادية والقياسية

في هذا الإطار، وعليه، ينبغي التمييز بين درجة الغليان العادية، التي تُحدد عند ضغط مقداره 101325 باسكال، ودرجة الغليان عند الضغط القياسي, التي تُحدد عند ضغط مقداره 100000 باسكال. وقد تختلف القيمتان قليلًا، حتى للمادة نفسها، بسبب اختلاف الضغط المرجعي. فمثلًا، تبلغ درجة غليان الماء عند 101325 باسكال نحو 99.97 °م، بينما تنخفض عند الضغط القياسي (100000 باسكال) إلى نحو 99.61 °م.

من جانب آخر، تُذكر درجة الغليان دائمًا مع الضغط الذي قيسَت عنده، لأن درجة الغليان تعتمد على الضغط الخارجي. وتُسمى درجة الحرارة التي تغلي عندها مادة نقية عند ضغط مقداره 101325 باسكال درجة الغليان العادية. ويشير اصطلاح «العادية» (normal) في هذا السياق إلى القيمة المحددة عند هذا الضغط. ويُعرف الضغط البالغ 101325 باسكال، أو 1 ضغط جوي، باسم الضغط الجوي القياسي.

علاوةً على ذلك، أما الضغط القياسي فهو ضغط مقداره 100000 باسكال، أو 1 بار. وقد أوصت IUPAC عام 1982 باعتماد هذه القيمة بوصفها الضغط القياسي، في حين ظل الضغط البالغ 101325 باسكال مستعملًا في تعريف الضغط الجوي القياسي ودرجة الغليان العادية.

في هذا الإطار، + درجة غليان الماء عند ارتفاعات مختلفة الارتفاع درجة الغليان 0 م 100.0 °م 1000 م 96.7 °م 2000 م 93.4 °م 3000 م 90.0 °م 5000 م 82.8 °م 8000 م 71.4 °م

معادلة كلاوزيوس–كلابيرون

من جانب آخر، وعند استخدام المعادلة لتقدير درجة الغليان عند ضغط جديد ، انطلاقًا من درجة غليان معلومة عند ضغط مرجعي ، يمكن كتابتها على الصورة:

كذلك، تصف معادلة كلاوزيوس-كلابيرون العلاقة بين ضغط البخار المشبع ودرجة الحرارة على منحنى الاتزان بين الطورين السائل والبخاري. ويمكن استخدامها لتقدير تغير درجة الغليان مع تغير الضغط إذا عُرفت درجة الغليان عند ضغط مرجعي وعُرف إنثالبي التبخر المولي.

علاوةً على ذلك، وتُكتب الصيغة المتكاملة، عند افتراض ثبات إنثالبي التبخر على وجه التقريب ضمن مجال درجات الحرارة المدروس، على النحو الآتي:

• حيث:
• و: ضغطا البخار المشبع عند درجتي الحرارة و على الترتيب.
• و: درجتا الحرارة المطلقتان، وتقاسان بالكلفن.
• : إنثالبي التبخر المولي.
• : ثابت الغازات العام.
• : اللوغاريتم الطبيعي.

في هذا الإطار، وعند الغليان يكون ضغط البخار المشبع مساويًا للضغط الخارجي المؤثر في السائل. وتُقاس درجات الحرارة في هذه المعادلات بالكلفن، بينما تُقاس الضغوط بالوحدة نفسها في النسبتين و. وتفترض الصيغة التقريبية ثبات إنثالبي التبخر ضمن مجال درجات الحرارة المدروس، وتقريب البخار إلى غاز مثالي، وإهمال حجم السائل مقارنةً بحجم البخار. ولذلك تقل دقتها عند اتساع مجال الضغط أو درجة الحرارة، ولا سيما بالقرب من النقطة الحرجة.

تأثير الضغط

كذلك، وتُستغل هذه العلاقة في قدر الضغط؛ إذ يؤدي رفع الضغط داخل الوعاء إلى رفع درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط البخار المشبع للماء مع الضغط الداخلي، مما يسمح بالطهي عند درجة حرارة أعلى من درجة غليانه في الضغط الجوي المعتاد. وعلى العكس، يؤدي خفض الضغط إلى انخفاض درجة الغليان، وهو ما يُستفاد منه في بعض عمليات التقطير وفصل المواد الحساسة للحرارة.

من جانب آخر، ولا يستمر ارتفاع درجة الغليان مع زيادة الضغط إلى ما لا نهاية؛ فعند زيادة الضغط على سائل ترتفع درجة غليانه على طول منحنى اتزان السائل–البخار، وينتهي هذا المنحنى عند النقطة الحرجة. وعند النقطة الحرجة يختفي الحد الفاصل بين السائل والبخار، فلا يعود من الممكن تعريف الغليان بوصفه انتقالًا بين طورين متميزين.

من جانب آخر، تعتمد نقطة الغليان، بالنسبة إلى مادة نقية، على الضغط الخارجي؛ فبزيادة الضغط ترتفع درجة الغليان، وبانخفاضه تنخفض. ويحدث ذلك لأن درجة الحرارة اللازمة لكي يتساوى ضغط البخار المشبع مع الضغط الخارجي تزداد بزيادة الضغط وتنخفض بانخفاضه. ولذلك يغلي السائل عند درجات حرارة أقل في المناطق المرتفعة، حيث يكون الضغط الجوي أقل من مستواه قرب سطح البحر، كما يمكن خفض نقطة الغليان بصورة متعمدة باستخدام مضخة تفريغ لتقليل الضغط المحيط بالسائل.

ومن جهة أخرى، تُظهر حالة الماء هذا التأثير بوضوح؛ إذ تنخفض درجة غليانه كلما ازداد الارتفاع عن سطح البحر نتيجة انخفاض الضغط الجوي. وتُحسب درجات الغليان عند الارتفاعات المختلفة على وجه التقريب وفق متوسط الضغط الجوي في نموذج الغلاف الجوي القياسي، وقد تختلف القيم الفعلية قليلًا باختلاف الأحوال الجوية ودرجة الحرارة والموقع الجغرافي.

علاوةً على ذلك، وعند خفض الضغط، تستمر درجة الغليان في الانخفاض على منحنى السائل–البخار حتى النقطة الثلاثية للمادة. وتحت ضغط النقطة الثلاثية لا يكون الطور السائل مستقرًا، ولذلك لا يحدث الغليان بالمعنى المعتاد، بل يمكن أن تنتقل المادة مباشرةً من الطور الصلب إلى الطور الغازي بعملية التسامي.