۲۰ حقیقت جالب درباره تبخیر
تبخیر فرآیندی است که در همه جا اطراف ما اتفاق می افتد، اما حقایق جالبی در مورد آن وجود دارد که چندان شناخته شده نیستند.
در جریان تحقیق در مورد تبخیر، آموختهام که مولکولها میتوانند در هر دمایی، نه فقط در هنگام جوشیدن، از مایع فرار کنند. سرعت تبخیر به عواملی مانند فشار بخار، دما، مساحت سطح و سرعت باد بستگی دارد.
تبخیر باعث خنک شدن میشود؛ تبخیرِ عرق از پوست ما همان چیزی است که باعث خنک شدن ما میشود! به نظر میرسد که گودالها به دلیل تبخیر ناپدید میشوند. این شگفتانگیز است که ببینیم چقدر آب از طریق این فرآیند از اقیانوسها، دریاچهها و رودخانهها به هوا تبخیر میشود. تبخیر یک پدیده طبیعی شگفتانگیز است. با فرامدیا همراه باشید.
۱٫ تبخیر فرآیندی است که طی آن مایع به گاز تبدیل میشود
تبخیر زمانی اتفاق میافتد که مولکولهای نزدیک سطح یک مایع، انرژی کافی برای غلبه بر نیروهای جاذبه بین مولکولی به دست آورند و به حالت گازی درآیند. انرژی گرمایی، انرژی فعالسازی لازم برای رهایی مولکولها از پیوندهای هیدروژنی و نیروهای واندروالس (Van der Waals) را که مایع را کنار هم نگه میدارند، تأمین میکند. با افزایش انرژی جنبشی، مولکولهای با سرعت بالاتر میتوانند این پیوندهای جاذبه را شکسته و به بخار تبدیل شوند. تبخیر با حذف انتخابی مولکولهای با بالاترین انرژی، مایع باقیمانده را خنک میکند.
این تغییر فاز از آب مایع به بخار آب به طور مداوم در دماهای پایینتر از نقطه جوش اتفاق میافتد و تنها نیازمند آن است که مولکولها در فشار بخار معین، انرژی کافی برای ورود به فاز گازی به دست آورند. تبدیل مایع به گاز از طریق تبخیر نقش کلیدی در چرخهی طبیعی آب در زمین ایفا میکند.
۲٫ دما نقش اساسی در تبخیر ایفا میکند
گرما انرژی لازم برای تبدیل مایع به گاز از طریق تبخیر را تأمین میکند. در دماهای بالاتر، مولکولهای آب سریعتر حرکت میکنند و درون مایع بیشتر میجهند. برخی از مولکولهای با سرعت بالا در سطح، به اندازهی کافی سرعت و انرژی لازم برای جدا شدن به صورت بخار گازی را به دست میآورند. گرمای بیشتر به معنای حرکت و انرژی جنبشی بیشتر برای مولکولهای آب است.
اگر هوا گرم باشد، تبخیر سریعتر اتفاق میافتد زیرا برای مولکولهای آب پرانرژی فرار از مایع و تبدیل شدن به بخار آسانتر است. دماهای پایینتر باعث کند شدن حرکت مولکولی میشود، بنابراین تعداد کمتری از مولکولها میتوانند به حالت بخار گازی برسند. دما با تأمین انرژی مورد نیاز مولکولها برای تبدیل آب مایع به بخار آب، سرعت تبخیر را کنترل میکند.
۳٫ رطوبت بر سرعت تبخیر تأثیر میگذارد
رطوبت، مقدار بخار آبی است که در حال حاضر در هوا وجود دارد. هنگامی که هوا بسیار مرطوب است، به این معنی است که قبلاً با رطوبت زیاد اشباع شده است. هوای کمتر مرطوب، بخار آب کمتری مخلوط دارد. برای اینکه تبخیر اتفاق بیفتد، مولکولهای آب مایع باید از سطح مایعات فرار کرده و به حالت گازی درآیند. اگر هوای اطراف از قبل مرطوب باشد، فضای کمتری برای بخار آب اضافی باقی میماند.
هوای کمتر مرطوب فضای بیشتری برای جذب رطوبت اضافی دارد. با رطوبت بالا، سرعت تبخیر کاهش مییابد زیرا هوا نمیتواند رطوبت اضافی زیادی را جذب کند. هوای خشکتر باعث افزایش سرعت تبخیر میشود زیرا مولکولهای آب به راحتی میتوانند تغییر مایع به گاز را در هوای غیر اشباع انجام دهند.
۴٫ سرعت باد میتواند تبخیر را افزایش دهد
باد که روی سطح مایع میوزد، تبخیر را سرعت میبخشد. هنگامی که هوا به سرعت روی مایع حرکت میکند، دائماً بخار آب را درست بالای سطح جارو میکند. این بخار حاوی مولکولهایی است که از مایع به گاز فرار میکنند. بادهای سریعالسیر این مولکولهای بخار آب را در جریان هوا حمل میکنند. هنگامی که مولکولهای آب بیشتری برای جایگزینی آنها تبخیر میشوند، باد مداوم، بخار جایگزین را نیز دور میکند.
این امر باعث میشود تا سطح مایع همچنان بتواند مولکولهای بیشتری را تبخیر کند. هوای ساکن و آرام به بخار آب اجازه میدهد تا به آرامی بالای مایع انباشته شود و این باعث کاهش سرعت تبخیر میشود. بنابراین، بادهای ملایم مداوم، هوای خشک و تازه را برای تبخیر ذرات مایع فراهم میکنند و سرعت کلی تبخیر را تسریع میکنند.
۵٫ تبخیر فرآیندی خنککننده است
تبخیر برای تبدیل آب مایع به بخار آب گازی به انرژی گرمایی نیاز دارد. با جذب گرما توسط مولکولهای سطحی، سریعترین مولکولها به بخار تبدیل شده و مایع را ترک میکنند. از دست دادن مولکولهای با بالاترین انرژی جنبشی، مایع باقیمانده را خنک میکند. همانطور که تبخیر عرق از پوست به خنک شدن ما کمک میکند، سایر مایعات نیز هنگام تبخیر، دما را کاهش میدهند.
این فرآیند انرژی گرمایی را از محیط اطراف خود میگیرد تا به مولکولها حرکت حرارتی کافی برای تبدیل به گاز بدهد. گرمای مصرفی به گرمای نهان تبدیل میشود که در پیوندهایی که مولکولهای آب گازی را کنار هم نگه میدارند، ذخیره میشود. این تبدیل به گرمای نهان و از دست دادن سریعترین مولکولها به این معنی است که تبخیر یک مکانیزم خنککننده مؤثر است.
۶٫ تبخیر برای چرخهی آب ضروری است
چرخه ی آب، آب را بین زمین و آسمان به گردش در میآورد. تبخیر یکی از اجزای کلیدی این چرخه است. گرمای خورشید باعث میشود آب اقیانوسها، دریاچهها و سایر منابع از حالت مایع به گاز بخار آب نامرئی تبدیل شود. سپس باد، این مولکولهای بخار آب تبخیر شده را به هوا و جو منتقل میکند. با حرکت جریانهای هوای مرطوب و سرد شدن دما، بخار آب در داخل ابرها به قطرات مایع متراکم میشود.
ابرها آب را به صورت بارندگی مانند باران و برف آزاد میکنند. بارش، رودخانهها، اقیانوسها و مخازن آب را پر میکند و به تبخیر مجدد اجازه میدهد. بنابراین، تبخیر آب مایع را به بخار موجود در هوا تبدیل میکند و نیروی محرکه گردش مداوم را تشکیل میدهد که ابرها را تشکیل میدهد و سپس آب را از طریق بارش به زمین باز میگرداند.
۷٫ آب شور میتواند تبخیر شود و آب شیرین تشکیل دهد
آب شور اقیانوسها حاوی مولکولهای آب و ذرات نمک حل شده در آن است. گرمای خورشید باعث تبخیر آب سطح اقیانوس میشود و تنها آب مایع را به بخار آب گازی تبدیل میکند که به بخشی از هوا تبدیل میشود. نمک و مواد معدنی در اقیانوس باقی میمانند زیرا تنها مولکولهای آب ساده در طول تبخیر جهش از مایع به گاز را انجام میدهند.
با حرکت بخار آب تبخیر شده با جریانهای هوا و در نهایت متراکم شدن برای تشکیل ابرها و باران، باران در حال سقوط دیگر حاوی نمک حل شده نیست. این فرآیند جداسازی اجازه میدهد تا تبخیر خورشیدی آب شور در نهایت از طریق چرخهی آب، قطرات باران آب شیرین تولید کند.
۸٫ تبخیر میتواند رسوب به جا بگذارد
هنگامی که مایعی مانند آب تبخیر میشود، تنها مولکولهای آب از مایع به گاز تبدیل میشوند. هر چیزی که در مایع حل شده یا معلق باشد، با فرار بخار آب باقی میماند. به عنوان مثال، هنگامی که گودالها پس از بارندگی خشک میشوند، نمکها و مواد معدنی گودالها به صورت رسوبات سفید پوستهای باقی میمانند. در مورد آب شور دریا، با تبخیر آب شیرین، نمک در اقیانوس باقی میماند.
حتی آب شیر تمیز نیز میتواند تبخیر شود و رسوبات معدنی را روی ظروف باقی بگذارد. بنابراین، در حالی که تبخیر آب مایع را به بخار گاز تبدیل میکند، اما مواد دیگری را که در داخل آن مخلوط شدهاند را از بین نمیبرد. با تبخیر آب، مواد جامد محلول باقیمانده خشک شده و متراکم میشوند و رسوبات معدنی سخت را تشکیل میدهند.
۹٫ تبخیر به عنوان روشی مؤثر برای شیرینسازی آب استفاده میشود
شیرینسازی آب، نمک را از آب شور جدا میکند تا آب شیرین تولید شود. یکی از روشهای شیرینسازی به تبخیر با گرما و انرژی خورشیدی متکی است. آب شور در استخرهای کمعمق جمعآوری میشود که باعث افزایش حداکثر سطح تماس با هوا میگردد. با گرم شدن آب شور توسط تشعشعات خورشیدی، تنها مولکولهای آب به فاز بخار تبدیل میشوند، نه نمکها یا مواد معدنی.
بخار آب بالا میرود، جمعآوری میشود و از طریق لولههای سرد شده دوباره به آب شیرین مایع بدون نمک متراکم میشود. با تبخیر آب خالص، آب شور به طور فزایندهای بر نمکها متمرکز میشود. اثرات و مراحل چندگانه باعث میشود این روش شیرینسازی با تبخیر خورشیدی با بازیافت انرژی گرمایی آزاد شده برای کمک بیشتر به تبخیر، بسیار کارآمد باشد. تقطیر با تبخیر به طور مؤثر از تغییر فاز برای فیلتر کردن نمک از آب دریا استفاده میکند.
۱۰٫ سرمایش تبخیری در سیستمهای تهویه مطبوع استفاده میشود
هدف سیستمهای تهویه مطبوع، خنک کردن و رطوبتزدایی هوای داخل است. واحدهای تهویه مطبوع سنتی از برق زیادی استفاده میکنند. سیستم تهویه مطبوع تبخیری برای خنک کردن جریان هوا بدون انرژی الکتریکی به تبخیر آب متکی است. این سیستمها هوای گرم و خشک بیرون را به داخل میکشند و سپس آن را از روی پد های مرطوب یا فیلترهای خیس عبور میدهند.
هوای گرم باعث تبخیر آب میشود که هوای عبوری را هم به دلیل گرم شدن هوا و هم به دلیل استفاده از گرمایِ نهانِ مورد نیاز برای تبخیر، خنک میکند. رطوبتِ خنک نیز به هوای ورودی خشک اضافه میشود. در این سیستمها از هیچ مادهی خنککنندهی مضری استفاده نمیشود. به سادگی، مهار کردن اثر خنککنندهی طبیعی تبخیر آب، به فضاهای داخلی اجازه میدهد تا در آب و هوای گرم و کم رطوبت به طور مؤثر خنک شوند.
۱۱٫ تأثیر تبخیر بر طعم غذا
با تبخیر مواد غذایی مایع، برخی از بوها و طعمها غلیظتر میشوند، در حالی که برخی دیگر در بخار پراکنده میشوند. در کشورهای اروپایی هنگام پختن شراب یا الکل برای سس و لعاب، بخش زیادی از مایع با جوشیدن تبخیر میشود و قندهای میوهای و طعمهای اسیدی را به جا میگذارد. پختن بیش از حد میتواند باعث غلیظ شدن بیش از حد و کاراملی شدن قندها و تغییر طعم شود.
طراوت و طعمهای ملایم زودتر تبخیر میشوند. در خورشتهای گوشت و خورشها، پختن طولانیتر باعث میشود اسیدهای آمینه خوش طعم و ترکیبات اومامی (طعم پنجم) متمرکز شوند. جوشاندن آب گوشت به ژلاتین، پروتئینها و طعمهای گوشتی را به دلیل تبخیر رطوبت متمرکز میکند. بنابراین، تبخیر هنگام پخت و پز باعث میشود با حذف آب خالص رقیقکننده، سایر مواد حلشده باقیمانده در طعم و عطر برجستهتر شوند.
۱۲٫ تبخیر میتواند باعث خشکسالی شود
خشکسالی به معنای کمبود بارش طولانیمدت است که منجر به کمبود آب میشود. گرما و خشکی زیاد باعث تسریع تبخیر از خاک، مخازن آب و پوشش گیاهی میشود. تبخیر سریع بدون بارندگی کافی میتواند به سرعت رطوبت سطحی و زیر سطحی را از بین ببرد. با سفت و سخت شدن شدید زمین، بارانهای بعدی به سختی در آن نفوذ میکنند و در عوض از سطوح خشک و سخت سرازیر میشوند.
تبخیر سریع از میزان بارندگی پیشی میگیرد و توانایی چرخهی هیدرولوژیکی معمولی را برای احیای زمین با آب متوقف میکند. کمبود رطوبت به معنای مرگ محصولات و آسیب به زیستگاههاست. دمای بالای محرک تبخیر همراه با بارندگی کم، با هم تبخیر رطوبت موجود را افزایش میدهد و باعث ایجاد یا تشدید اثرات خشکسالی میشود. مدیریت تبخیر برای کاهش شدت خشکسالی کلیدی است.
۱۳٫ تبخیر فرآیندی مداوم است
برخلاف جوشیدن که در یک نقطه خاص اتفاق میافتد، تبخیر به تدریج در دماهای محیطی رخ میدهد. تا زمانی که یک مولکول آب در سطح به اندازه کافی انرژی برای تبدیل شدن به گاز به دست آورد، تبخیر اتفاق میافتد. انرژی گرمایی این تبدیل مایع به گاز را تأمین میکند. در هر روز معین، برخی از مولکولها به حرکت کافی برای شکستن پیوندهای کشش سطحی که آنها را در حالت مایع نگه میدارد، دست مییابند.
هنگامی که مولکولهای منفرد تبخیر میشوند، آنها معلق شده و به سایر ذرات آب اجازه میدهند تا جای خود را در سطح بگیرند و سپس تبخیر شوند. این جابهجایی مولکولی به طور مداوم ادامه دارد. بنابراین، برخلاف جوشیدن که به طور ناگهانی اتفاق میافتد، تبخیر به عنوان یک فرآیند ثابت و دائمی ادامه مییابد که انرژی جنبشی مولکولی به طور پیوسته به برخی از مولکولها اجازه فرار و تشکیل بخار در طول زمان را میدهد.
۱۴٫ بیشتر تبخیر در سطح زمین از سطوح آب آزاد رخ میدهد
در حالی که آب از منابع زیادی تبخیر میشود، بخش عمدهی تبخیر در مرزهای مایع آب بدون مانع که در معرض جو قرار دارند، رخ میدهد. اقیانوسها به دلیل وسعت و در معرض بودنشان، اجازه میدهند تشعشعات شدید خورشیدی و جریانهای هوا باعث تبخیر شدید سطحی شوند. دریاچهها، رودخانهها و مخازن آب نیز از طریق تماس بدون پوشش بین آب مایع و هوا، تبخیر را تسهیل میکنند.
در همین حال، رطوبت خاک، برف و یخ مانع تبخیر میشوند زیرا مولکولهای آب ابتدا باید از طریق ریز منافذ در زمین یخزده حرکت کنند یا از طریق خاک سفت و پوشش زمین حمل شوند. سطوح آب آزاد که فاقد موانع هستند، بالاترین میزان تبخیر را در زمین حفظ میکنند زیرا گرما و جریان هوا به راحتی مولکولها را از فاز مایع به فاز گاز منتقل میکنند.
۱۵٫ گرما، حرکت هوا و مساحت سطح همگی بر سرعت تبخیر تأثیر میگذارند
گرمای بیشتر، انرژی مورد نیاز مولکولهای آب را برای فرار از مایع و تبدیل آن به بخار تأمین میکند. افزایش جریان هوا، بخار تبخیر شده را از بالای سطح مایع پاک میکند و به تبخیر مداومتر اجازه میدهد. با افزایش سطح تماس مایع با هوا، ذرات بیشتری میتوانند پیوندها را شکسته و به فاز گازی تبدیل شوند.
تقویت هر یک از این عوامل – دما، باد، اندازه سطح مایع – سرعت تبخیر را افزایش میدهد. گرمای بیشتر به معنای حرکت بیشتر مولکولها برای تبخیر است. گردش هوا بیشتر به خروج مداوم بخار بیشتری اجازه میدهد. سطح بیشتر فضای بیشتری را برای تبخیر مولکولی فراهم میکند. هر کدام با امکان تبدیل مایع به گاز مکرر، تبخیر را افزایش میدهد.
۱۶٫ تبخیرِ اشک به دفع مواد محرک و زائد از سطح چشم کمک میکند
پلک زدن، لایه اشک را در سراسر سطح چشم پخش میکند. اشک حاوی آب، موکوس، لیپیدها، الکترولیتها و سایر ترکیبات است. آب موجود در اشک بلافاصله پس از رسیدن به ناحیه چشم شروع به تبخیر میکند. با تبخیر رطوبت، مواد زائد محلول دفع شده در مایع اشک به همراه ذرات محرکی که ممکن است وارد چشم شده باشند را با خود میبرد.
تبخیر آهسته و مداوم از تجمع مایعات چشمی جلوگیری میکند، در حالی که از دست دادن آب، نگهداری مداوم تعادل اسمولاریته و الکترولیت طبیعی اشک را امکانپذیر میکند. بنابراین، تبخیر مداوم اجزای مایع اشک، هر دو بقایای سلولی و مواد محرک محیطی را از ناحیهی در معرض چشم حذف میکند.
۱۷٫ پوشاندن قابلمه آب جوش باعث کاهش تبخیر و جوشیدن سریعتر آن میشود
آب زمانی میجوشد که فشار بخار حباب از فشار هوا بیشتر شود. بدون درپوش، مولکولهای آب در حال جوش به راحتی به بخاری تبدیل میشوند که از قابلمه خارج میشود. این کاهش ناشی از تبخیر، آب باقیمانده را خنک میکند. پوشاندن قابلمه، بخار را روی مایع محبوس میکند. مولکولهای بخار محبوس شده به مایع آب برخورد کرده و دوباره به آن میپیوندند و گرما اضافه میکنند و باعث کند شدن خنک شدن ناشی از تبخیر میشوند.
با کمتر شدن تبخیر و اتلاف انرژی به علاوه برخوردهای اضافی ناشی از بخار محبوس شده، آب درون قابلمه به جای تبخیر گرما، انرژی را حفظ میکند. این انرژی اضافی حاصل از بخار متراکم از طریق تشکیل حباب به مایع منتقل میشود و پس از برداشتن دوباره درپوش، باعث جوشیدن سریعتر میشود. بنابراین، درپوشها باعث کاهش اتلاف ناشی از تبخیر شده و اجازه میدهند فشار برای افزایش نقطه جوش بالا رود.
۱۸٫ لباسها روی بند رخت با تبخیر آب مایع پارچه مرطوب به بخار آب خشک میشوند
پس از شستشوی لباس، پارچههای خیس حاوی آب مایع جذب شده بین نخها و الیاف هستند. آویزان کردن لباس در فضای باز به جریان هوا و تابش نور خورشید اجازه میدهد تا با سطوح پارچه تماس پیدا کنند. گرما و حرکت هوا انرژی لازم را برای خارج شدن مولکولهای آب از حالت مایع از میان مواد پارچهای فراهم میکند. آب از طریق تبخیر از مایع به گازی نامرئی به نام بخار آب تبدیل میشود.
با انتشار آب تبخیر شده به عنوان بخار در هوای اطراف، خشک شدن ادامه مییابد زیرا مولکولهای مایع بیشتری پخش شده و به بخار تبدیل میشوند. تغییر فاز از رطوبت نگه داشته شده توسط پارچه به بخار گازی به این معنی است که هیچ آبی برای مرطوب نگه داشتن لباس باقی نمیماند. تبخیر، مایع شستشو را به بخار گاز تبدیل میکند تا لباسهای آویزان را خشک کند.
۱۹٫ پشهها میزبانان خود را تا حدی بر اساس توانایی تشخیص تبخیر رطوبت و دی اکسید کربن از بازدم شناسایی میکنند
پشهها از حسگر های تخصصی برای یافتن حیواناتی که نیش میزنند استفاده میکنند. آنها گاز دی اکسید کربنی را که پستانداران با هر نفس بازدم میکنند، تشخیص میدهند. آنها همچنین با استفاده از گیرندههای رطوبتی، تبخیر رطوبت از پوست و تعریق را حس میکنند. این بخار آب به عنوان نشانگری از منبع گرما بدن میزبان عمل میکند که هم دی اکسید کربن بازدمی و هم رطوبت پوستی ناشی از تبخیر را منتشر میکند.
حشرات پخش کنندهی انگل با دنبال کردن گرادیان غلظت، به سمت سطوح بالاتر این گازها و رطوبت تبخیر شدهای که از بدن میزبان بالا میرود، هدایت میشوند. ترکیب دی اکسید کربن و تبخیر بخار آب به عنوان نشانههای بویایی حیاتی عمل میکند تا پشهها را به سمت قربانیان بالقوهی وعدهی غذایی خون هدایت کند.
۲۰٫ تبخیر از آبگیر ها حتی بدون جوشیدن، به طور مداوم بخارِ آب را وارد هوا میکند
دریاچه ها و اقیانوسها به طور مداوم مولکولهای آب را از طریق تبخیر با جو تبادل میکنند. قرار گرفتن در معرض انرژی خورشید و بادهای در حال گردش، گرما و جریان هوا را برای تبدیل ذرات مایع سطحی به بخار آب تأمین میکند. این تغییر شکل به تدریج اتفاق میافتد زیرا مولکولها به اندازه کافی انرژی جنبشی برای تبدیل شدن به گاز به دست میآورند.
برخلاف جوشیدن، این تشکیل بخار به آرامی اما به طور مداوم در سراسر مرز آب و هوا رخ میدهد. بدون جوشیدن یا آشفتگی، تبخیر به طور مداوم آب را به شکل بخار از دریا و دریاچهها به آسمان منتقل میکند. این انتقال گازی آرام باعث میشود آبگیر ها به عنوان منبع غالب بخار آب در جو عمل کنند و حتی در دماهای بسیار پایینتر از نقطه جوش، به طور غیرفعال اما مداوم مولکولها را ساطع کنند.
