میعان چیست؟ – به زبان ساده

مواد مختلف با توجه به شرایط دما و فشاری که در آن قرار دارند، دچار تغییر حالت‌های مختلفی ‌می‌شوند. یکی از این تغییر حالت‌ها، تبدیل گاز به مایع است که «میعان» (Condensation) نام دارد. قطره‌های آبی که روی دیواره بیرونی یک بطری آب سرد در یک بعد از ظهر تابستانی می‌بینیم، قطرات آبی که روی در کتری در حال جوشیدن تشکیل می‌شوند، تشکیل مه در زمستان و ایجاد قطرات آب روی دیواره داخلی پنجره‌ها در یک روز سرد، نمونه‌هایی از میعان آب هستند که در زندگی روزمره خود بارها و بارها دیده‌ایم. توضیح این پدیده‌های به ظاهر ساده، به درک بهتر ما از اینکه میعان چیست، کمک می‌کنند.

در این مطلب از مجله فرادرس می‌خواهیم توضیح دهیم که میعان چیست، چگونه ایجاد می‌شود و چه تفاوت‌هایی با سایر تغییر حالت‌های ماده از جمله «تبخیر» (Evaporation) دارد. همچنین با مثال‌هایی از میعان مانند «چرخه آب» (Water Cycle) و مفاهیمی مانند «نقطه شبنم» (Dew Point) نیز آشنا خواهیم شد.

میعان چیست؟

میعان یکی از تغییر حالت‌های ماده و یک تغییر فیزیکی است که در آن حالت گازی ماده با سرد شدن به مایع تبدیل می‌شود. کلمه میعان به معنای مایع شدن، به حالت نهایی ماده در این فرآیند اشاره دارد. میعان، عکس تغییر حالت مایع به گاز یا تبخیر است. تشکیل ابرها و بارش باران، ایجاد شبنم روی برگ‌ها یا شیشه پنجره و چرخه آب مهم‌ترین آثار میعان هستند. ضمن اینکه نباید فراموش کنیم با تبدیل بخار آب موجود در هوا به آب، به محیط گرما داده می‌شود یا از بخار آب، گرما حذف می‌شود. پس میعان یک فرآیند گرماده محسوب می‌شود.

فرض کنید در یک روز گرم تابستانی در حالی که تشنه هستید، یک بطری آب سرد را از یخچال بیرون می‌آورید و پس از نوشیدن آب، آن را کنار می‌گذارید. کمی بعد متوجه تشکیل قطرات آب روی دیواره خارجی بطری خواهید شد. یا زمانی که دوش داغ می‌گیرید، اگر دقت کرده باشید آینه داخل حمام کاملا با قطرات آب پوشانده می‌شود، طوری که قادر به دیدن خودتان نیستید. در هر دو مثال، قطره‌های آب در اثر فرآیند تغییر حالت میعان ایجاد می‌‌‌شوند.

اگر دقت کرده باشید، بیشتر مثال‌های میعان شامل تبدیل بخار آب به آب است. اما به ‌طور کلی تبدیل هر گاز یا بخاری به مایع با حذف گرما از آن، میعان در نظر گرفته می‌شود. از طرفی هر واکنشی که در آن بخشی از مولکول‌های آب از گاز یا بخار حذف شود، به نوعی میعان محسوب می‌شود. در ادامه این مطلب با تاکید بیشتر روی میعان آب، یادگیری خود را ادامه می‌دهیم.

یادگیری میعان با فرادرس

در بخش قبل تا حدی متوجه شدیم که میعان چیست. اگر دانش‌آموز هستید و علاقه‌مندید مباحث مربوط به دما، گرما و تغییر حالت‌های ماده را با توجه به سرفصل‌های کتاب‌ درسی به‌طور کامل فرا بگیرید، مشاهده فیلم‌های آموزشی زیر از مجموعه فرادرس را به شما پیشنهاد می‌کنیم:

1. فیلم آموزش فیزیک پایه دهم فرادرس
2. فیلم آموزش فیزیک دهم – مرور و حل تمرین فرادرس
3. فیلم آموزش رایگان دما و گرما در فیزیک پایه دهم فرادرس

همچنین در مطلب «فرمول های فیزیک دهم در یک نگاه» از مجله فرادرس نیز تمام فرمول‌های درس فیزیک دهم به‌صورت خلاصه همراه با حل مثال توضیح داده شده است. مطالعه این مطلب برای تسلط بیشتر و مرور مباحث فیلم‌های آموزشی بالا می‌تواند بسیار مفید باشد.

آزمایش میعان آب در خانه

برای اینکه ببینید میعان چیست و چگونه ایجاد می‌شود، در این بخش یک آزمایش خیلی ساده را با هم انجام می‌دهیم. این آزمایش طرح ساده‌ای از چرخه آب است که در بخش‌های بعدی مفصل آن را شرح خواهیم داد. پیش از شروع آزمایش، لازم است به این نکته اشاره کنیم که اگر دانش‌آموز پایه دهم هستید و نیاز دارید با حل تمرین‌های مختلف به مباحث گرما و دما مسلط شوید، مشاهده فیلم آموزشی فیزیک پایه دهم – مرور و حل تمرین فرادرس کمک زیادی به شما خواهد کرد:

وسایل و مواد لازم برای انجام این آزمایش عبارت‌اند از:

• یک عدد لیوان شیشه‌ای
• کمی آب داغ
• پلاستیک و کش برای پوشاندن در لیوان
• چند قطعه یخ

تقریبا یک سوم از یک لیوان شیشه‌‌ای را با آب داغ پر کنید و سپس دهانه لیوان را با یک درپوش مشابه شکل زیر کاملا بپوشانید، طوری که امکان خروج هوای داخل لیوان وجود نداشته باشد. حالا روی درپوش، چند قطعه یخ قرار دهید.

اولین اتفاقی که با بستن دهانه خروجی لیوان می‌افتد، این است که آب داغ شروع می‌کند به بخار شدن (تبخیر). بخار آب که راه خروجی از لیوان ندارد، با سطح بالایی یا درپوش قرار داده شده، برخورد می‌کند. اگر روی درپوش چند قطعه یخ قرار دهیم، درپوش سرد می‌شود. در نتیجه، برخورد هوای گرم داخل لیوان که شامل بخار آب است با این سطح سرد، میعان ایجاد خواهد کرد.

اثر میعان از سطح داخلی درپوش دقیقا مثل یک ابر شروع می‌شود. نتیجه میعان، تبدیل بخار آب به قطرات آبی است که در سطح داخلی درپوش داخل لیوان مشاهده می‌شوند. این قطرات کم‌کم به سمت پایین می‌افتند یا می‌بارند. پس با یک آزمایش ساده توانستیم با مفهوم میعان و چگونگی تشکیل ابرها و بارش باران که همان چرخه آب است، آشنا شویم.

مثال‌ از میعان

در بخش‌های قبلی تا حدی متوجه شدیم که میعان چیست. در این بخش با بیان چند مثال از میعان آب، بیشتر یاد می‌گیریم که این تغییر حالت چگونه و در چه شرایطی ایجاد می‌شود.

مثال‌های میعان که در این مطلب به توضیح آن‌ها پرداخته‌ایم، عبارت‌اند از:

• شیشه پنجره در روز بارانی و سرد
• بطری آب سرد در هوای گرم
• آینه مه‌گرفته حمام
• شبنم صبحگاهی
• شیشه مه‌گرفته ماشین
• تنفس مه‌آلود
• تشکیل ابر

شیشه پنجره در روز بارانی و سرد

به‌عنوان اولین مثال برای یادگیری این مفهوم که میعان چیست، مثال معروف شیشه پنجره را توضیح می‌دهیم. فرض کنید یک روز بارانی و سرد است و شما در اتاق، پشت پنجره نشسته‌اید. هوای داخل اتاق نسبت به بیرون خیلی گرم‌تر است، به اضافه اینکه رطوبت بالایی هم دارد (با توجه به بارش باران در بیرون). در نتیجه، تماس این هوای گرم با شیشه پنجره سردتر باعث می‌شود قطرات آب روی شیشه تشکیل شوند.

در واقع تبدیل بخار آب موجود در هوای گرم داخل اتاق به قطرات آب، همان میعان است. در این مثال سمتی از پنجره که بیرون است و در تماس با باران، با قطرات باران خیس می‌شود. اما تشکیل قطرات آب روی دیواره داخلی پنجره در اتاق، قطرات باران نیستند. بلکه قطرات آبی هستند که از میعان هوای گرم داخل اتاق حاصل شده‌اند.

بطری آب سرد در هوای گرم

مثال دیگری که کاملا توضیح می‌دهد میعان چیست و به آن اشاره شد، مثال بطری آب سرد است. فرض کنید یک بطری آب سرد را برای نوشیدن از داخل یخچال یا فریزر خارج می‌کنیم. پس از نوشیدن آب، اگر اجازه دهیم کمی بطری روی میز بماند، متوجه تشکیل قطرات آب روی دیواره سرد بطری خواهیم شد.

در این مثال، بخار آب موجود در هوای گرم‌ اطراف بطری در اثر برخورد با دیواره سرد بطری به قطرات آب تبدیل شده است. طی فرآیند میعان، بخار آب به‌سرعت سرد می‌شود و قطرات آب شکل می‌گیرند. پس فرآیند فیزیکی میعان آب، شامل تبدیل بخار آب (حالت گازی آب) به آب (حالت مایع آب) انجام شده است. در این مثال‌، قطرات آب از حالت بخار خود در هوای گرم خارج می‌شوند.

آینه مه‌گرفته حمام

تا اینجا با تشریح دو مثال بیشتر از پیش یاد گرفتیم که میعان چیست. نقطه مشترک در مثال‌های بیان شده این بود که در هر دو، تماس هوای گرم شامل بخارآب با یک سطح سردتر (مثل دیواره بیرونی بطری آب یا سطح داخلی پنجره اتاق) موجب تشکیل قطرات آب شد. این مثال هم شبیه دو مثال قبلی است، با این تفاوت که در اینجا سطح سردتر، آینه حمام است.

پس می‌توانیم تا اینجا این نتیجه‌گیری را داشته باشیم که نکته مهم برای میعان هوای گرم و تشکیل قطرات آب این است که بین هوای گرم و یک سطح جامد، اختلاف دما داشته باشیم. فرض کنید یک دوش آب گرم گرفته‌اید. هوای داخل حمام بسیار گرم و سرشار از رطوبت است. منظور از رطوبت هوا، همان مولکول‌های آبی است که در هوای گرم وجود دارد. پس سطح آینه داخل حمام، از هوای گرم داخل حمام سردتر است و بین این دو اختلاف دما وجود دارد.

بنابراین برخورد هوای گرم با سطح سرد آینه، باعث می‌شود بخار آب موجود در هوای گرم گرما از دست بدهد و با سرد شدن، به آب تبدیل شود. دقت کنید چون هوای داخل حمام بسیار گرم است، تمام سطح آینه کاملا با قطرات آب پوشانده می‌شود، طوری که قادر نیستید خود را ببینید.

در واقع طبق شکل بالا، در حالت گازی یا در بخار آب، مولکول‌های آب دارای انرژی جنبشی خیلی بالا هستند، طوری که با سرعت خیلی زیاد و در فواصل خیلی دور از هم آزادانه حرکت می‌کنند. همین خاصیت در حالت گازی باعث می‌شود زمانی که این مولکول‌ها به یک سطح سرد برخورد کنند، ناگهان رفتار متضادی نشان دهند. یعنی با انرژی جنبشی یا سرعت کمتری و در فواصل نزدیک‌تری از هم حرکت کنند. این ویژگی‌ها، همان خصوصیات آب در حالت مایع است. به عبارت دیگر، اگر انرژی جنبشی مولکول‌های بخار آب به یک مقدار آستانه‌ برسد، دیگر از حالت گاز خارج شده‌اند.

شبنم صبحگاهی

در مثال‌های قبل دیدیم اثر برخورد هوای گرم با یک سطح سردتر در میعان چیست. نمونه دیگر این پدیده در تشکیل شبنم صبحگاهی است. شبنم همان قطرات آبی هستند که حتما روی سطح گیاهان و برگ‌ها دیده‌اید. در طول شب که هوا سردتر است، سطح برگ گیاهان سرد می‌شوند. در نتیجه قطرات آب یا شبنم بر اثر میعان رطوبت موجود در هوای گرم‌تر اول صبح، روی سطح برگ‌ها تولید می‌شوند. این پدیده روی هر سطح دیگری مثل سطح ماشین هم ممکن است دیده شود.

شیشه مه‌گرفته ماشین

مثال رایج دیگر برای یادگیری اینکه میعان چیست، شیشه‌های مه گرفته ماشین از داخل است. اگر هوای بیرون سرد باشد، شیشه سرد می‌شود. اما هوای داخل ماشین گرم‌تر است و با تنفس شما، دارای رطوبت بیشتری هم می‌شود. چنانچه رطوبت هوای داخل ماشین به اندازه کافی باشد، این رطوبت در برخورد با سطح سرد شیشه‌ها به قطرات آب میعان می‌شود.

منظورمان از میعان رطوبت هوا، همان میعان مولکول‌های آب است که در هوا به حالت بخار آب وجود دارند. بنابراین قطرات کوچک آب سطح شیشه‌های ماشین را مثل مه می‌پوشانند.

تنفس مه‌آلود

در این مثال به نوع دیگری یاد می‌گیریم که میعان چیست. در واقع تفاوت این مثال با مثال‌های قبلی این است که همیشه برای تشکیل قطرات آب از هوا، لازم نیست یک سرد سردتر وجود داشته باشد. قرار گرفتن در معرض هوای سرد، باعث می‌شود رطوبت موجود در تنفس شما به قطرات آب میعان شود. پس در این مثال که حتما آن را با «ها» کردن در هوا مشاهده کرده‌اید، بدون نیاز به هیچ سطحی برای جمع آوری قطرات آب میعان اتفاق می‌افتد.

تشکیل ابر

مثال دیگری که بدون نیاز به یک سطح سرد توضیح می‌دهد که میعان چیست و چگونه ایجاد می‌شود، تشکیل ابرها است. به‌طور دقیق‌تر، ابرها به‌ترتیب از دو فرآیند تغییر حالت تبخیر و میعان آب ایجاد می‌شوند. ابتدا تبخیر آب‌های روی سطح زمین در اثر جذب گرما از نور خورشید، باعث تشکیل بخار آب می‌شود. سپس بخار آب با رسیدن به اتمسفر و از دست دادن گرما، میعان می‌شود.

قطرات آب حاصل از میعان در کنار هم قرار می‌گیرند و ابرها را تشکیل می‌دهند. در بخش «میعان و چرخه آب»، جزئیات بیشتری از این فرآیند را بیان خواهیم کرد.

انواع میعان

دو روش به‌وجود آمدن میعان به صورت زیر هستند:

• میعان ناشی از انبساط هوا
• میعان ناشی از سرد شدن هوا

مثال‌هایی که در بخش قبل بیان شد، تا حدی نشان دادند که فرآیند تغییر حالت میعان چیست. در این بخش با توجه به مثال‌های گفته شده، می‌خواهیم این دو روش ایجاد میعان را توضیح دهیم.

میعانی که در اتمسفر رخ می‌دهد، ناشی از انبساط هوا‌ست. طبق شکل بالا، فرض کنید برخی مولکول‌های آب به‌شکل بخار همراه با هوا در حال بالا رفتن به سمت اتمسفر در قالب یک بسته مکعبی شکل هستند. انبساط هوا و به دنبال آن سرد شدن این بسته، باعث می‌شود بخار آب به قطرات آب تبدیل شود. در واقع در این روش سرد شدن بخار آب، ناشی از انبساط هوا است. در شکل بالا، اثر انبساط هوا با بزرگ‌تر شدن بسته مکعبی نمایش داده شده است.

نکته مهم در این فرآیند زمانی است که گرمای نهان میعان آزاد می‌شود. مقدار این گرمای نهان برابر است با گرمایی که آب هنگام تبخیر جذب کرده است. بنابراین گرمای جذب شده توسط آب‌های روی زمین هنگام تبخیر و تبدیل شدن به بخار، مجددا توسط فرآیند میعان و تشکیل ابر و بارش، به زمین باز می‌گردد.

در شکل بالا، فرآیند تبخیر و میعان هم‌زمان با هم نشان داده شده است. مشخص است که گرمای لازم برای تبخیر آب با گرمای آزاد شده طی فرآیند میعان برابر است. در بخش‌ «تبخیر و میعان»، در مورد مفهوم گرمای میعان و ارتباط آن با گرمای تبخیر بیشتر توضیح خواهیم داد.

روش دوم ایجاد میعان، روشی است که در آن تماس هوای گرم با یک سطح سردتر اتفاق می‌افتد. همان‌طور که دیدیم، مثال‌های زیادی برای این روش میعان وجود دارد. سمت راست شکل بالا، همان آزمایشی است که در ابتدای مطلب توضیح دادیم. در آن آزمایش نیز فرآیند میعان بر مبنای برخورد هوای گرم شامل بخار آب با یک سطح سرد توضیح داده می‌شود.

میعان و نقطه شبنم

یکی از مفاهیم دیگری که کمک می‌کند تا بهتر متوجه شویم میعان چیست، نقطه شبنم است. نقطه شبنم برابر است با دمایی که در آن هوا دیگر نمی‌تواند مولکول آب یا رطوبت یا بخار بیشتری را در خود نگه دارد. به عبارت دیگر، نقطه‌ای است که هوا از رطوبت اشباع می‌شود. هوای گرم همواره رطوبت یا آب بیشتری را می‌تواند در خود نگه دارد. اگر هوای گرم از نقطه شبنم خود سردتر شود، قطرات آب طی فرآیند میعان ایجاد می‌شوند.

دانستن نقطه شبنم در هواشناسی اهمیت بالایی دارد. پیش‌بینی تشکیل شبنم، یخ‌زدگی، مه و یا کمترین دمای هوا در طول شب، احتمال بارندگی یا رعد و برق همگی با دانستن نقطه شبنم امکان‌پذیر است. اطلاعات مهم دیگری که نقطه شبنم به‌دست می‌دهد، میزان رطوبت یا بخار آب موجود در هوا است که این نکته مشخص می‌کند آیا هوا مساعد است یا نه.

اگر دمای شبنم پایین باشد، برای مثال حدود ‎۱۵ C، در این صورت هوا برای شما مطبوع است. اما برای نمونه در روزهای گرم که دمای شبنم برابر است با ‎۱۸ C، تعریق چندان کمک‌‌کننده نیست. برای دمای شبنم بالای ‎،۲۱ C گرمای هوا به نوعی غیرقابل تحمل خواهد شد.

تغییر حالت بخار آب به آب یا میعان هوا به یکی از دو روش زیر حاصل خواهد شد:

1. سرد کردن هوا تا رسیدن به نقطه شبنم
2. اشباع کامل هوا با بخار آب (تا زمانی که دیگر نتواند مولکول‌های آب را در خود نگه دارد)

بنابراین هر کدام از دو روش بالا باعث می‌شوند که مولکول‌های آب در بخار با هم ترکیب شوند و خروجی فرآیند، شامل قطرات آب باشد. این پدیده‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که یا هوا تا نقطه شبنم سرد شود و یا آن‌قدر با بخار آب اشباع شود که دیگر نتواند مولکول‌های آب را در خود نگه دارد. در هر دو حالت، بخار آب به آب تبدیل خواهد شد.

میعان و چرخه آب

توضیح چرخه آب باعث می‌شود بهتر یاد بگیریم که میعان چیست و چگونه در کنار سایر تغییر حالت‌های آب، به طبیعت کمک می‌کند. چرخه آب که به آن «چرخه هیدرولوژیکی» (Hydrological Cycle) هم گفته می‌شود، یک چرخه پیوسته و طبیعی است که باعث گردش آب بین زمین و اتمسفر و در نتیجه، پر شدن منابع آبی و حفظ تعادل هیدرولوژیکی زمین می‌شود.

پس چرخه آب یک فرآیند طبیعی از حرکت پیوسته آب (در قالب تبخیر، میعان و بارش) بین سطح زمین و اتمسفر است. مهم‌ترین مراحل چرخه آب عبارت‌اند از تبخیر، میعان و «بارش» (Precipitation). همچنین مراحل دیگری مثل «تصعید» (Sublimation)، «رواناب» (Runoff) و «نفوذ» (Infiltration) در چرخه آب وجود دارند که در ادامه هر کدام را به ترتیب توضیح می‌دهیم.

تبخیر در چرخه آب

در بخش‌های قبل آموختیم که میعان چیست و چند مثال از این تغییر حالت را بررسی کردیم. در این بخش اولین مرحله از چرخه آب، یعنی تبخیر را توضیح می‌دهیم. تبخیر یک نوع فرآیند تغییر حالت گرماگیر است که در آن مایع به گاز تبدیل می‌شود. بنابراین آب برای تبدیل شدن به بخار، نیاز به جذب انرژی از محیط اطراف دارد. انرژی خورشیدی منبع تامین انرژی لازم برای تبخیر آب است. پس از تبخیر، بخار آب تولید شده به سمت اتمسفر بالا می‌رود.

تصعید در چرخه آب

به جز تبخیر، فرآیند دیگری که باعث می‌شود در اتمسفر بخار آب وجود داشته باشد، تصعید است. طی فرآیند تغییر حالت تصعید، برف یا یخ مستقیما از حالت جامد به بخار آب یا حالت گازی تبدیل می‌شوند. بخار آب تولید شده در فرآیند تصعید نیز مانند بخار آبی که از طریق تبخیر تولید می‌‌شود، وارد اتمسفر خواهد شد.

البته در واقعیت شرایط خاصی لازم است تا به‌جای ذوب یخ‌ها و به دنبال آن تبخیر، تصعید داشته باشیم. برای مثال، در قله کوه‌ها که هوای سرد با رطوبت پایین همراه با وزش بادهای خشک داریم و فشار هوا به شدت پایین است، شرایط لازم برای تبدیل مستقیم یخ‌ها به بخار آب فراهم است. همچنین صفحات بزرگ یخ در قطب‌ها، یکی از مهم‌ترین منابع تصعید در روی زمین به شمار می‌روند.

میعان در چرخه آب

در این بخش می‌خواهیم ببینیم در چرخه آب، نقش تغییر حالت میعان چیست. گفتیم بخار آب حاصل از تبخیر یا تصعید به اتمسفر می‌رسد. از آن‌جا که دمای هوا در ارتفاعات کم است، پس بخار آب جمع شده در اتمسفر خنک می‌شود و به شکل قطرات آب یا یخ در قالب ابر، متراکم می‌شود. این تراکم همان میعان است.

اگر بخواهیم دقیق‌تر توضیح دهیم، بخار آب طی فرآیند میعان به قطرات آب و طی فرآیند چگالش به برف تبدیل می‌شود. همان‌طور که در بخش تصعید توضیح دادیم، برای ایجاد چگالش و تبدیل مستقیم بخار به یخ نیز شرایط خاصی لازم است. پس دیدیم که در نهایت چگونه ابرها تشکیل می‌شوند. دمایی که در آن میعان اتفاق می‌افتد، دمای شبنم یا نقطه شبنم نامیده می‌شود.

معمولا در طول شب که دما به زیر نقطه شبنم می رسد، قطرات آب به‌صورت باران از ابرها خارج می‌شوند و به این ترتیب، آب به سطح زمین بازمی‌گردد. البته هوای گرم نیز اگر در تماس با سطوح سرد قرار بگیرد، به نقطه شبنم خود می‌رسد و با تبدیل به قطرات آب میعان می‌شود.

بارش در چرخه آب

در بخش قبل دیدیم که در چرخه آب، میعان چیست و چگونه ایجاد می‌شود. وقتی که دما به بالای صفر می‌رسد، بخار آب به قطرات آب میعان می‌شود. با وجود ذرات گرد و خاک یا سایر آلودگی‌های ریز در اتمسفر، باز هم میعان رخ می‌دهد و بخار آب در واقع به سطح این ذرات آلودگی می‌چسبد. در سمت چپ تصویر زیر، ذرات آبی بخار آب و ذرات سیاه رنگ آلودگی‌ها یا گرد و خاک در اتمسفر نشان داده شده‌ است. سطوح این ذرات ریز ماده شامل گرد و خاک یا آلودگی، همان سطحی‌اند که میعان روی آن انجام می‌شود.

از جمع شدن تعداد کافی از این نوع ذرات متصل شده به ذرات بخار آب (وسط تصویر)، ابرها تشکیل می‌شوند و در نهایت بارش باران به سمت زمین را خواهیم داشت (سمت راست تصویر). همچنین ممکن است قطرات آب این چنینی منجمد شوند و به‌صورت برف یا تگرگ در هوای خیلی سرد یا وقتی که فشار هوا خیلی پایین است، بارش کنند.

نفوذ و رواناب در چرخه آب

تا اینجا یاد گرفتیم که میعان چیست و چه نقشی در چرخه آب دارد. به‌عنوان آخرین مراحل چرخه آب، در این قسمت نفوذ و رواناب را توضیح می‌دهیم. نفوذ فرآیندی است که در آن باران باریده شده جذب زمین می‌شود. حجم آب جذب شده به جنس ماده‌ای که آب باران را جذب می‌کند، بستگی دارد. برای مثال صخره‌ها آب کمتری نسبت به خاک جذب می‌کنند.

آب جذب شده در زمین را آب زیرزمینی می‌نامند. آب‌های زیرزمینی توسط نهرها و رودخانه‌ها قابل انتقال‌اند، اما بیشتر این آب در نهایت به سفره‌های زیرزمینی تبدیل می‌شود. اگر آب باران سفره زیرزمینی ایجاد نکند، جاذبه زمین آن را از روی صخره‌ها و شیب‌ها به سمت زمین منتقل می‌کند و در نهایت رودخانه‌ها شکل می‌گیرند. پدیده جریان یافتن آب به حالت مایع، همان رواناب است.

فرق تبخیر و میعان

تبخیر تغییر حالت مایع به گاز با بخار است، در حالی که میعان تغییر حالت ماده از گاز یا بخار به مایع است. برای اینکه ببینیم شباهت‌ها و تفاوت‌های بین دو تغییر حالت تبخیر و میعان چیست، در این بخش ابتدا به توضیح دقیق‌تر فرآیند تبخیر خواهیم پرداخت و سپس گرمای تبخیر را با گرمای میعان مقایسه می‌کنیم. نحوه توزیع انرژی جنبشی بین مولکول‌های مایع با توزیع انرژی جنبشی بین مولکول‌های گاز مشابه است. البته اگر بخواهیم این توزیع را دقیق‌تر توصیف کنیم، می‌توانیم از رابطه خاصی به نام توزیع ماکسول - بولتزمن استفاده کنیم.

مولکول‌های مایع دارای حرکت آزادانه هستند. اگر یک مولکول معینی از مایع را درنظر بگیریم، انرژی جنبشی این مولکول به علت برخورد با سایر مولکول‌ها دائما در حال تغییر است. حالا فرض کنید این مایع حرارت داده شود. در این صورت در یک لحظه خاص، انرژی جنبشی یک تعدادی از مولکول‌های مایع نسبت به بقیه مولکول‌ها بیشتر خواهد شد. بنابراین این مولکول‌های دارای انرژی جنبشی بالاتر از سطح مایع فرار می‌کنند، در حالی که انرژی جنبشی متوسط مولکول‌های باقی مانده در مایع کاهش می‌یابد و دمای مایع کم می‌شود.

پس گفتیم که با حرارت‌دهی مایع، بخشی از مولکول‌های آن فرار می‌کنند. این مولکول‌ها همان مولکول‌هایی هستند که به گاز تبدیل می‌شوند. اما برای مولکول‌های باقی‌مانده با دمای کم چه اتفاقی می‌افتد؟ این مولکول‌ها نیز با جذب گرما از محیط اطراف، دمای خود را افزایش می‌دهند، به گونه‌ای که در نهایت دمای مایع ثابت می‌ماند.

این مسئله باعث می‌شود فرآیند تبخیر تا تمام شدن مایع ادامه داشته باشد. بنابراین می‌توانیم بگوییم تبخیر یک فرآیند «گرماگیر»‌ (Endothermic) است، به این صورت که مایع در حال تبخیر شدن با گرفتن گرما از محیط اطراف خود دمای خود را ثابت نگه می‌دارد تا در نهایت کاملا به گاز تبدیل شود. گرمای لازم برای تبخیر یک مول از مایع در یک دمای معین، آنتالپی یا گرمای تبخیر مولی آن مایع نام دارد. برای مثال در مورد تبخیر آب، می‌توانیم رابطه زیر را داشته باشیم:

$$H_2O(l)\rightarrow H_2O(g) \ \ \ \triangle H_v=43.8 \ kj$$

$$\triangle H_v$$ همان آنتالپی تبخیر مولی است که برای آب برابر با مقدار بالا و برحسب کیلوژول است.

فرآیند بالا یک فرآیند برگشت‌پذیر محسوب می‌شود، به این معنا که عکس آن یعنی تبدیل گاز به مایع یا میعان نیز انجام‌پذیر است. اما تفاوت واکنش عکس یا میعان این است که برای انجام میعان لازم است گرما از بخار گرفته شود و به محیط داده شود. در واقع میعان یک فرآیند «گرماده» (Exothermic) محسوب می‌شود. بنابراین می‌توانیم تعریف زیر را برای آنتالپی میعان مولی داشته باشیم:

در اثر تبدیل یک مول گاز به مایع طی فرآیند میعان مقداری انرژی آزاد می‌شود. آزاد شدن انرژی باعث می‌شود تغییراتی در آنتالپی ایجاد شود که آنتالپی میعان مولی نامیده می‌شود. اندازه آنتالپی میعان مولی با اندازه آنتالپی تبخیر مولی در دمای یکسان کاملا مشابه است. فقط به‌علت گرماده بودن فرآیند میعان، علامت آنتالپی میعان مولی منفی است. بنابراین برای میعان آب می‌توانیم بنویسیم:

$$H_2O(g)\rightarrow H_2O(l) \ \ \ \triangle H_c=-43.8 \ kj$$

در رابطه بالا $$\triangle H_c$$ آنتالپی میعان مولی است. پس چون میعان و تبخیر دو فرآیند تغییر حالت عکس هم هستند، آنتالپی مولی این دو در دمای یکسان، کاملا هم‌اندازه است. همچنین به‌علت گرماگیر و گرماده بودن، علامت‌های آنتالپی مولی برای این دو فرآیند مخالف هم است.

میعان در چرخه تبرید یخچال

در این بخش می‌خواهیم ببینیم یکی از کاربردهای میعان چیست. اگر با نحوه عملکرد یخچال آشنا باشید، می‌دانید که یخچال بر اساس چرخه‌ای به‌نام «چرخه تبرید» (Refrigeration Cycle) کار می‌کند. چرخه تبرید شامل چهار فرآیند اساسی تراکم، میعان، انبساط و تبخیر است. در این قسمت خواهیم دید چگونه دو فرآیند تغییر حالت ساده میعان و تبخیر باعث می‌شوند یک یخچال به‌درستی و پیوسته کار کند.

ماده اصلی یخچال که روی آن تمام فرآیندها از جمله تبخیر و میعان انجام می‌شود، «مبرد» نام دارد. ابتدا مبرد در اولین مرحله از چرخه تبرید یعنی تراکم در کمپرسور، به‌ یک بخار متراکم شده تبدیل می‌شود. در واقع در این مرحله کمپرسور یخچال، بخار مبرد با دما و فشار پایین را به بخاری با فشار و دمای بالا تبدیل می‌کند تا آن را برای مرحله بعدی یعنی میعان آماده کند.

مرحله دوم چرخه تبرید در کندانسور انجام می‌شود. در این مرحله بخار داغ مبرد با فشار بالا ابتدا سرد می‌شود. این کاهش دمای بخار مبرد تا جایی ادامه پیدا می‌کند که به نقطه خاصی به نام نقطه جوش یا معادل آن در این مرحله، نقطه میعان برسد. در این دما، دیگر با سرد کردن بیشتر، دمای بخار مبرد کمتر نمی‌شود، بلکه مبرد شروع می‌کند به تغییر حالت و تبدیل شدن به مایع.

بنابراین تغییر حالت میعان را خواهیم داشت و گرمای میعان آزاد می‌شود. انرژی زیادی که در این مرحله آزاد می‌شود، نشان‌دهنده گرماده بودن فرآیند میعان است که در مورد آن صحبت کردیم. برای اینکه عملکرد یخچال دچار مشکل نشود، لازم است این گرما حتما دفع یا تخلیه شود. مایع حاصل از میعان، پس از منبسط شدن و افزایش دما، مجددا در مراحل بعدی به بخار تبدیل می‌شود تا چرخه تبرید برقرار بماند.

حالت‌های ماده در میعان

برای اینکه بهتر متوجه شویم میعان چیست، لازم است حالت‌های ماده را خوب بشناسیم. می‌دانیم هر چیزی که دارای جرم باشد و فضا اشغال کند، ماده نامیده می‌شود. مواد مختلف در طبیعت در یک دما و فشار مشخص، فقط می‌توانند در یک حالت وجود داشته باشند. سه حالت ماده عبارت‌اند از جامد، مایع و گاز. علاوه‌بر این سه حالت، ماده در حالت چهارمی به نام « پلاسما» (Plasma) نیز دیده شده است.

اگر به شکل بالا دقت کنید، متوجه خواهید شد که در حالت‌های مختلف ماده نحوه قرارگیری ذرات تشکیل‌دهنده ماده متفاوت است. همین مسئله باعث می‌شود حالت‌های مختلف ماده ویژگی‌های مخصوص به خود داشته باشند. بنابراین قادریم تمام مواد را در در دماها و فشارهای مختلف در هر یک از چهار حالت گفته شده طبقه‌بندی کنیم.

مثلا در حالت جامد، ذرات با فاصله خیلی کمی از هم و با نیروهای جاذبه بین‌مولکولی قوی در کنار هم قرار می‌گیرند، طوری که در نهایت ماده جامد ساختاری محکم و تراکم‌ناپذیر دارد. این خواص جامد شبیه خصوصیات یخ، حالت جامد آب است. به همین دلیل یخ یک جامد محسوب می‌شود.

از طرفی اگر ذرات تشکیل‌دهنده ماده بتوانند آزادانه روی هم بلغزند، ماده از حالت جامد خارج شده و به مایع تبدیل شده است. اگر نیروهای جاذبه بین ذرات تشکیل‌دهنده ماده کاملا از بین بروند، طوری که ذرات توانایی حرکت آزادانه در فواصل خیلی دورتری داشته باشند، مایع به گاز تبدیل شده است، مثل بخار آب که همان حالت گازی آب است. پلاسما حالت خاصی از ماده است که با عبور ولتاژ بالا از گازهای نجیب تشکیل می‌شود.

با تغییرات دما و فشار، نحوه قرارگیری ذرات ماده عوض می‌شود و در نتیجه تغییر حالت برای ماده ایجاد می‌شود. شش تغییر حالت مختلف برای مواد در طبیعت وجود دارد که عبارت‌اند از:

1. ذوب (تغییر حالت ماده از جامد به مایع)
2. انجماد (تغییر حالت ماده از مایع به جامد)
3. تبخیر (تغییر حالت ماده از مایع به گاز)
4. میعان (تغییر حالت ماده از گاز به مایع)
5. تصعید (تغییر حالت مستقیم ماده از جامد به گاز، بدون عبور از فاز میانی مایع)
6. چگالش (تغییر حالت مستقیم ماده از گاز به جامد، بدون عبور از فاز میانی مایع)

اگر دقت کنید در هر دو تغییر حالت، دو حالت ماده مشترک هستند. برای مثال هر دو تغییر حالت ذوب و انجماد بین مایع و جامد رخ می‌دهند. یا تصعید و چگالش  که در هر دو حالت جامد و گاز مشترک است. تغییر حالت مشترک با میعان، تبخیر است که در هر کدام حالت ماده از مایع به گاز و برعکس تبدیل می‌شود. در بخش‌های بعد ابتدا به توضیح ویژگی‌های دو حالت ماده در میعان و تبخیر، یعنی مایع و گاز می‌پردازیم.

گاز، حالت اولیه ماده در میعان

در این قسمت بررسی می‌کنیم خصوصیات ماده در آغاز فرآیند تغییر حالت میعان چیست. در میعان، ماده‌ای که در حالت گاز است، با سرد شدن به مایع تبدیل می‌شود. اگر به سمت چپ تصویر زیر دقت کنید، در حالت جامد ذارت تشکیل‌دهنده ماده بسیار نزدیک به هم و در فواصل خیلی کوتاهی از هم قرار دارند، طوری که عملا امکان حرکت آزادانه برای این ذرات وجود ندارد. در نتیجه، ذرات یک جامد در مکان‌ خود نوسان دارند.

اما با تغییر حالت ماده به مایع و گاز، مشاهده می‌کنید که ذرات ماده شروع به حرکت آزادانه می‌کنند. اگر بخواهیم حرکت ذرات را در مایع و گاز مقاسیه کنیم، واضح است که ذرات تشکیل‌دهنده یک گاز (سمت راست تصویر بالا)، دارای انرژی جنبشی خیلی بیشتری هستند. به همین علت است که گازها حجم مشخصی ندارند و داخل هر ظرف یا محفظه‌ای که قرار بگیرند، به‌سرعت تمام آن را پر می‌کنند. خصوصیات گازها را می‌توانیم به صورت زیر دسته‌بندی کنیم:

•  گازها شکل مشخص و ثابتی ندارند.

با توجه به اینکه گازها ذراتی با فواصل بسیار دور از هم دارند که به‌سرعت در حال تغییر جهت هستند، در نتیجه یک گاز دارای شکل مشخصی نیست.

• گازها حجم مشخصی ندارند.

ذرات یک گاز به‌علت نداشتن نیروی جاذبه، کاملا آزاد هستند که به همه جای ظرف یا محفظه‌ای که در آن قرار دارند، بروند. برای مثال، در یک اتاق در بسته هوا تمام اتاق را پر کرده است و این طور نیست که در بخشی از اتاق هوا نباشد.

• در گازها، ذرات دارای انرژی جنبشی خیلی بیشتری از ذرات یک مایع هستند.

در حالت گازی، همان‌طور که گفتیم ذرات ماده در دورترین فواصل خود از هم قرار گرفته‌اند و دارای بیشترین مقدار انرژی جنبشی خود هستند. در نتیجه با یکدیگر و با دیواره‌های محفظه‌ای که در آن قرار دارند، برخورد دارند.

بنابراین در فرآیند میعان با کاهش دمای گاز و انتقال گرمای آن به محیط، حرکت ذرات گاز محدوتر خواهد شد و به این ترتیب، ماده دیگر در حالت گازی نیست. بلکه به مایع تبدیل شده است. در واقع در یک نقطه مشخصی به نام نقطه جوش، دیگر دمای گاز کم نمی‌شود، بلکه گرمای زیادی آزاد می‌شود و ماده از گاز به مایع تبدیل می‌شود.

مایع، حالت نهایی ماده در میعان

در این بخش می‌خواهیم ببینیم ویژگی‌های حالت ماده در انتهای فرآیند میعان چیست. همان‌طور که گفتیم در میعان ماده از حالت گاز به حالت مایع تبدیل می‌شود. خصوصیات مایعات با در نظر گرفتن تصویر وسط از شکل زیر، شامل موارد زیر می‌شود:

• مایعات شکل مشخص و ثابتی ندارند و به شکل ظرفی که در آن ریخته می‌شوند، در می‌آیند.

علت این خصوصیت در مایعات این است که نیروهای بین‌مولکولی بین ذرات تشکیل‌دهنده مایعات ضعیف است. بنابراین ذرات یک لایه از مایع به‌آسانی روی ذرات لایه زیرین خود سر می‌خورند یا می‌لغزند.

• مایعات حجم مشخصی را اشغال می‌کنند.

علی‌رغم اینکه مایعات شکل مشخص و متمایزی ندارند، اما حجم تعریف‌شده‌ای دارند. به همین دلیل است که اغلب یک مایع مانند جامد در اثر اعمال فشار فشرده نمی‌شود. در واقع نیروهای بین‌مولکولی در مایعات آن‌قدری قوی هست که مانع از غلبه فشار بر ذرات شود.

• مایعات انعطاف‌پذیراند اما استحکام ندارند.

منظور از انعطاف‌پذیری، قابلیت جاری شدن مایعات در مقایسه با جامدات است که ناشی از فواصل بین‌مولکولی خیلی بیشتر ذرات تشکیل‌دهنده مایع نسبت به جامد است. به همین علت است که مایعات در گروه سیالات قرار داده می‌شوند.

• انرژی جنبشی ذرات تشکیل‌دهنده مایعات از جامدات بیشتر است.

برخلاف حالت جامد ماده، ذرات در مایع کمتر در کنار هم پک شده‌اند. بنابراین نیروهای بین‌مولکولی در مایعات ضعیف‌تر از جامدات است. همین مسئله باعث می‌شود انرژی جنبشی ذرات یک مایع نسبت به حالت جامد بیشتر باشد. با افزایش دما، انرژی جنبشی ذرات مایع بیشتر از قبل خواهد شد.

• ذرات تشکیل‌دهنده مایعات می‌توانند به‌آسانی پخش شوند.

به‌علت نیروهای جاذبه بین‌مولکولی ضعیف‌تری که ذرات یک مایع نسبت به حالت جامد یک ماده دارند، قابلیت پخش ذرات ماده در حالت مایع بیشتر از حالت جامد است. این خاصیت مایعات باعث شده است که بتوانیم مایعات مختلف را با هم مخلوط کنیم. برای مثال، مخلوط آب و الکل که یک مخلوط جدید یا محلول را می‌سازد.

به‌خاطر داشته باشید که با تغییر حالت فیزیکی مایع، تمام این ویژگی‌هایی که گفتیم به سمت ویژگی‌های حالت جامد یا حالت گاز ماده تغییر خواهند کرد. اگر دقت کرده باشید، خصوصیات مایع بین خصوصیات جامد و گاز قرار دارد. گفتیم ذرات تشکیل‌دهنده یک مایع در حرکت پیوسته‌اند و انرژی جنبشی دارند. اما مقدار این انرژی جنبشی برای تمام ذرات یکسان نیست. برخی ذرات انرژی کمتر و برخی انرژی بیشتری دارند.

مولکول‌هایی که در سطح مایع قرار دارند، دارای انرژی جنبشی بالاتری هستند. بنابراین این مولکول‌ها توانایی غلبه بر نیروهای جاذبه بین‌مولکولی را دارند و با شکستن پیوندهای بین‌مولکولی، قادراند از سطح مایع فرار کنند. مولکول‌هایی که از سطح مایع فرار می‌کنند، قابلت حرکت آزادانه مثل مولکول‌های یک گاز را دارند. پس در این شرایط می‌گوییم مایع به گاز تبدیل شده است یا تبخیر داشته‌ایم.

تکمیل یادگیری میعان با فرادرس

پس از اینکه یاد گرفتیم میعان چیست، اگر به‌دنبال تکمیل دانش خود در مورد مباحث ترمودینامیکی مرتبط با تغییر حالت‌های ماده از جمله میعان هستید یا علاقه‌مندید ارتباط میعان با انتقال حرارت را بدانید، مشاهده فیلم‌های آموزشی زیر از مجموعه فرادرس به شما پیشنهاد می‌شود:

1. فیلم آموزش شیمی عمومی فرادرس
2. فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ حل مساله فرادرس
3. فیلم آموزش شیمی فیزیک فرادرس
4. فیلم آموزش ترمودینامیک ۱ فرادرس
5. فیلم آموزش انتقال حرارت ۲ فرادرس
6. فیلم آموزش ترمودینامیک مهندسی شیمی ۲ حل مساله فرادرس
7. فیلم آموزش رایگان مباحث جابجایی آزاد و جوشش حل تست های کنکور فرادرس
8. فیلم آموزش انتقال حرارت حل تست کنکور فرادرس

آزمون میعان

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس، پس از اینکه کاملا یاد گرفتیم میعان چیست و چگونه ایجاد می‌شود، چنانچه تمایل دارید آموخته‌های خود را بیازمایید، می‌توانید به سوالات آزمون زیر پاسخ دهید. در انتهای آزمون، گزینه‌ای با عنوان «دریافت نتیجه نهایی» برای شما ظاهر می‌شود که با کلیک روی آن، می‌توانید نمره خود را مشاهده کنید.