اثر فشار و ناخالصی روی نقطه ذوب و جوش و انجماد

ناخالصی‌ها و محیط در حالت ماده تأثیر می‌گذارند

ناخالصی در مواد تأثیرات مختلفی دارد که یکی از آن ها تغییر در نقطه جوش و ذوب و انجماد ماده است همچنین از دیگر عوامل مؤثر در این تغییر فشار جو است که در این بخش این موارد را توضیح می دهیم.

 

مواد در طبیعت به حالت‌های مختلفی یافت می‌شوند و در اثر گرفتن و یا از دست دادن حرارت به حالت دیگر تبدیل شوند. در این میان ناخالصی‌های موجود در ماده روی تبدیل شدن تأثیر می‌گذارند. در ابتدا حالت‌های ماده را توضیح می دهیم.

 

در ابتدا تبخیر ماده را بحث می‌کنیم و مفهوم فشار بخار را معرفی می‌کنیم:

 

فشار بخار:

مولکول های یک مایع دارای انرژی جنبشی هستند و انرژی جنبشی مولکول معینی از یک مایع ضمن برخورد با سایر مولکول ها دائماً تغییر می کند. در یک لحظه معین تعدادی از مولکول ها دارای انرژی نسبتاً زیاد و تعدادی دارای انرژی نسبتاً کمی هستند. مولکول هایی که انرژی جنبشی آن ها زیاد است می توانند بر نیروی جاذبه مولکول های اطراف خود غلبه کرده و از سطح مایع فرار کرده و وارد فاز گازی شوند.

 

چگونگی جوشیدن مایع: وقتی فشار بخار یک مایع با فشار جو برابر می شود مایع شروع به جوشیدن می کند. در این دما بخار حاصل در داخل مایع سبب ایجاد حباب و غلیان خاص جوشش می شود.

 

تشکیل حباب در دمای پایین تر از نقطه جوش غیر ممکن است زیرا فشار جو بر سطح مایع که بیش از فشار داخل آن است، مانع از تشکیل حباب می شود. دمای مایع در حال جوش تا هنگامی که تمام مایع بخار نشده است ثابت می ماند. در یک ظرف بدون در پوش، حداکثر فشار بخاری که هر مایع می تواند داشته باشد برابر با فشار جو می باشد.

 

فشار بخار هر مایع تنها از روی دما معین می شود بنابر این اگر فشار بخار ثابت باشد دما نیز ثابت است. برای ثابت ماندن دمای یک مایع در حال جوش باید به آن گرما داده شود زیرا در فرآیند جوش مولکول های با انرژی زیاد از مایع خارج می شوند. اگر سرعت افزایش گرما بیش از حداقل لازم برای ثابت نگه داشتن دمای مایع در حال جوش باشد، سرعت جوشش زیاد می شود ولی دمای مایع بالا نمی رود.

 

اثر ناخالصی در نقطه‌ی جوش

اثر ناخالصی باعث افزایش نقطه ی جوش می شود زیرا با ناخالصی مایع دیرتر جوش می آید. برای مثال در تابستان ها برای اینکه آب رادیاتور دیرتر جوش بیاید در آب آن کمی ضد جوش می ریزند که این کار موجب می شود آب دیر تر جوش بیاید و به ماشین آسیب نرسد. به عنوان مثال افزایش نمک در آب باعث افزایش نقطه جوش آن می‏ شود و بدین ترتیب می‏ توان نقطه جوش آب را به بالای 100 درجه افزایش داد.

 

اثرناخالصی روی نقطه جوش دو حالت دارد:

1) اگر ناخالصی غیرفرار باشد (مانند نمک)همواره نقطه جوش را بالا می برد.

2) اگر ناخالصی فرار باشد (مانند الکل)گاهی باعث افزایش و گاهی باعث کاهش نقطه جوش می شود.

 

تاثیر فشار در نقطه جوش:

نقطه جوش یک مایع با تغییر فشار خارجی تغییر می کند. افزایش فشار باعث افزایش نقطه جوش و کاهش فشار باعث کاهش نقطه جوش می‏شود. به طور مثال در ارتفاعات، آب در دمای پایین‏تری به جوش می آید. نوسانات فشار جو در یک موقعیت جغرافیایی نقطه جوش آب را حداکثر تا 2 درجه سانتیگراد تغییر می دهد ولی تغییر محل ممکن است باعث تغییرات بیشتر شود.

 

متوسط فشاری که هواسنج در سطح دریا نشان می دهد، یک اتمسفر ولی در ارتفاعات بالاتر کمتر از این مقدار است. مثلاً در ارتفاع 5000 پایی از سطح دریا متوسط فشاری که فشارسنج نشان می دهد 0.836 اتمسفر است و نقطه جوش آب در این فشار 95.1 درجه سانتیگراد می باشد. 

 

پایین آوردن نقطه جوش یک مایع:

اگر نقطه جوش نرمال مایعی بالا باشد مایع در اثر گرما تجزیه می شود، می توان با کاهش فشار آن در دماهای پایین به جوش آورد. از این روش برای تقطیر مایعات در خلاء استفاده می شود. مثلاً با کاهش فشار تا 0.0121 اتمسفر می تران نقطه جوش 10 درجه سانتیگراد که به طور قابل ملاحظه پایین تر از دمای معمولی است رساند. با کاهش فشار می توان آب غیر ضروری بسیاری از فراورده های غذایی را خارج کرده و آن ها را تغلیظ کرد. در این روش دمای فرآورده مورد نظر به دمایی که ممکن است.

 

نقطه ذوب:

نقطه ذوب یکی از خواص فیزیکی اجسام به شمار می رود و درجه حرارتی است که در آن درجه جسم جامد به مایع تبدیل می شود یا به عبارت دیگر درجه حرارتی است که در آن درجه فشار بخار جامد با فشار بخار مایع برابر است. در واقع ذوب تغییر از ترتیب خیلی منظم ذرات در شبکه کریستالی به ترتیب خیلی اتفاقی که مشخصه یک مایع است می‌باشد. وقتی که درجه حرارت به حدی می رسد که در آن انرژی حرارتی ذرات به نیروهای درون کریستالی فائق شود جسم شروع به ذوب شدن می کند.

 

در مورد ترکیبات غیر یونی نقطه ذوب پایین است زیرا نیروهای بین مولکولی در مقایسه با نیروهای بین یونی ضعیف می باشند. در درجه حرارت ذوب حالت جامد و حالت مایع جسم با هم در حال تعادل هستند و برای یک جسم خالص در تمام مدت ذوب درجه حرارت ثابت می باشد. هنگامی که به جسم جامد حرارت داده می شود افزایش حرارت باعث بالا رفتن درجه حرارت آن می شود تا اینکه اولین ذره آن ذوب شود از این لحظه به بعد گرمای داده شده صرف ذوب شدن جسم جامد می شود و تا آخرین ذره جسم جامد باقی است، درجه حرارت بالا نمی رود که این درجه حرارت ذوب می باشد.

 

اگر حرارت دور شود درجه حرارت پایین نمی آید تا این که تمام مایع به جامد تبدیل شود( منجمد شود).  بنابراین نقطه ذوب و نقطه انجماد یک جسم خالص یکسان است. پس از ذوب کامل اگر حرارت دادن را ادامه دهیم مایع شروع به گرم شدن می کند تا به نقطه جوش برسد و در آن نقطه نیز تا آخرین قطره مایع باقی است درجه حرارت نقطه جوش ثابت می ماند.

 

تاثیر فشار اتمسفر روی نقطه ذوب:

تاثیر فشار اتمسفر روی نقطه ذوب بسیار جزئی می باشد. زیرا اگرچه افزایش فشار ذرات جامد را به یکدیگر نزدیک می کند و به این ترتیب نیروی بین مولکولی افزایش می یابد و بنابراین دمایی که برای جدا کردن مولکول ها لازم است کمی بیشتر می شود. ولی چون ذرات جامد در هر صورت به هم نزدیک هستند و قابلیت تراکم چندان زیادی ندارند، تغییر فشار خارجی نمی تواند تغییر زیادی در نقطه ذوب جامدات بدهد و به استثنای بعضی از مواد مثل یخ افزایش فشار، نقطه ذوب بیشتر جامدات را کمی افزایش می دهد که البته در مورد یخ افزایش فشار سبب کاهش نقطه ذوب آن می شود.

 

تاثیر ناخالصی روی نقطه ذوب:

وجود ناخالصی معمولا نقطه ذوب جسم را پایین می آورد و مخلوط دو ماده مختلف دارای نقطه ذوب پایین تری از هر کدام از این دو ماده است. اگر چنانچه دو ماده دارای نقطه  ذوب یکسانی باشند و مخلوط این دو ماده نیز دارای همان نقطه ذوب باشند می توان نتیجه گرفت که این دو ماده یکی هستند. به طور کلی از نزول نقطه ذوب که در اثر ناخالصی در یک ترکیب به وجود می آید، می توان برای شناسایی و پی بردن به وجود ناخالصی استفاده نمود.  

 

انجماد:

وقتی یک مایع را به اندازه کافی سرد کنیم، به جامد تبدیل می شود. تبدیل شدن مایع به جامد را انجماد می‌گویند. دمایی که در آن ماده ی مایع به جامد تبدیل می شود، نقطه انجماد نامیده می شود.

 

بعضی از مواد، مثل یخ، در یک دمای معین از حالت جامد به حالت مایع در می آیند و قبل از ذوب شدن نرم نمی شوند. اگر

این گونه مواد را سرد کنیم، در همان دمایی که ذوب شده اند، به حالت جامد در می آیند. موادی مانند یخ، قلع و سرب از این دسته موادند. این مواد دارای نقطه ذوب معین هستند.

 

یعنی دقیقاً می توانیم بگوییم که این مواد در چه دمایی ذوب (یا منجمد) می شوند. در این گروه از مواد نقطه ی ذوب با نقطه ی انجماد برابر است.

 

گروهی دیگر از مواد در هنگام تبدیل از حالت جامد به مایع کم کم نرم می شوند. مثلاً قیر و شیشه وقتی گرم شوند ابتدا نرم می شوند و از حالت جامد خارج می گردند، سپس در اثر گرم شدن بیشتر، کم کم به طور کامل به حالت مایع در می آیند، این گونه مواد نقطه ی ذوب معینی ندارند و اصطلاحاً گفته می شود که این مواد ذوب خمیری دادند. موادی که دارای نقطه ی ذوب معینی هستند، نقطه ی انجماد می توانند به حالت جامد یا مایع یا به هر دو حالت وجود داشته باشند.

 

اثر ناخالصی در انجماد

ناخالصی سبب کاهش نقطه ی انجماد می شود. در زمستان ها برای آن که آب داخل رادیاتور یخ نزند در آن ماده ایی به نام ضد یخ می ریزند که باعث می شود آب داخل رادیاتور یخ نبندد یا دیرتر یخ ببندد ضدیخ از مایعی شبیه الکل و آب مخلوط می شود