الغليان

إن أدنى تدفق حراري يُلاحظ في الغليان يكفي فقط لإحداث الحمل الحراري الطبيعي ، حيث يرتفع السائل الأكثر سخونة بسبب انخفاض كثافته قليلاً . ولا تحدث هذه الحالة إلا عندما تكون درجة التسخين الفائق منخفضة للغاية، أي أن السطح الساخن القريب من السائل يكون عند درجة حرارة قريبة من درجة الغليان.

يتميز الغليان النوي بنمو الفقاعات أو الفرقعات على سطح ساخن (التنوي غير المتجانس)، والتي تنشأ من نقاط منفصلة على السطح، وتكون درجة حرارته أعلى بقليل من درجة حرارة السائل. وبشكل عام، يزداد عدد مواقع التنوي مع ارتفاع درجة حرارة السطح.

يُسهّل السطح غير المنتظم لوعاء الغليان (أي زيادة خشونة السطح) أو الإضافات إلى السائل (مثل المواد الفعالة سطحياً و/أو الجسيمات النانوية ) الغليان النوي على نطاق أوسع من درجات الحرارة، ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} بينما يُسهّل السطح الأملس للغاية، مثل البلاستيك، التسخين الفائق . في ظل هذه الظروف، قد يُظهر السائل المُسخّن تأخيراً في الغليان ، وقد ترتفع درجة حرارته قليلاً فوق نقطة الغليان دون أن يغلي.

يمكن أن يحدث التكوين المتجانس للفقاعات، حيث تتشكل الفقاعات من السائل المحيط بدلاً من سطحه، إذا كان السائل أكثر دفئًا في مركزه وأكثر برودة على أسطح الوعاء. ويمكن تحقيق ذلك، على سبيل المثال، في فرن الميكروويف، الذي يسخن الماء وليس الوعاء.

يصف التدفق الحراري الحرج (CHF) الحد الحراري لظاهرة يحدث فيها تغير في الطور أثناء التسخين (مثل تكوّن الفقاعات على سطح معدني يُستخدم لتسخين الماء )، مما يُقلل فجأة من كفاءة انتقال الحرارة ، وبالتالي يُسبب ارتفاعًا موضعيًا في درجة حرارة سطح التسخين. عندما يُسخن سطح الغليان فوق درجة حرارة حرجة، تتشكل طبقة رقيقة من البخار على السطح. ولأن هذه الطبقة البخارية أقل قدرة على نقل الحرارة بعيدًا عن السطح، ترتفع درجة الحرارة بسرعة كبيرة بعد هذه النقطة إلى نظام الغليان الانتقالي . وتعتمد النقطة التي يحدث عندها هذا على خصائص سائل الغليان وسطح التسخين المعني. ^{[ 3 ]}

يمكن تعريف الغليان الانتقالي بأنه الغليان غير المستقر، والذي يحدث عند درجات حرارة سطحية تتراوح بين الحد الأقصى الذي يمكن تحقيقه في الغليان النوي والحد الأدنى الذي يمكن تحقيقه في الغليان الفيلمي.

إن تكوين الفقاعات في سائل ساخن هو عملية فيزيائية معقدة غالباً ما تنطوي على التكهف والتأثيرات الصوتية، مثل صوت الفحيح واسع النطاق الذي يسمعه المرء في غلاية لم يتم تسخينها بعد إلى النقطة التي تغلي فيها الفقاعات إلى السطح.

إذا كان سطح التسخين المستخدم لتسخين السائل أسخن بكثير من السائل نفسه، فسيحدث الغليان الفيلمي. تتكون طبقة رقيقة من البخار، ذات موصلية حرارية منخفضة ، تعزل سطح السائل. هذه الحالة، المتمثلة في طبقة بخارية عازلة للسطح عن السائل، هي ما يميز الغليان الفيلمي .

يشير مصطلح "الغليان في البركة" إلى الغليان الذي لا يوجد فيه تدفق حراري قسري. بدلاً من ذلك، يحدث التدفق نتيجة لتدرجات الكثافة . ويمكن أن يمر بأي من الأنظمة المذكورة أعلاه.

يحدث "الغليان الجرياني" عندما يدور السائل المغلي، عادةً عبر الأنابيب. ^{[ 5 ]} ويمكن أن تُغذّى حركته بواسطة المضخات، كما هو الحال في محطات توليد الطاقة، أو بواسطة تدرجات الكثافة، كما هو الحال في نظام الدوران الحراري أو الأنابيب الحرارية. غالبًا ما تتميز التدفقات في الغليان الجرياني بمعامل نسبة الفراغ، الذي يشير إلى نسبة حجم البخار في النظام. ويمكن استخدام هذه النسبة والكثافات لحساب جودة البخار ، والتي تشير إلى نسبة الكتلة الموجودة في الطور الغازي. قد يكون الغليان الجرياني معقدًا للغاية، مع تأثيرات كبيرة للكثافة ومعدلات التدفق وتدفق الحرارة، بالإضافة إلى التوتر السطحي. وقد يحتوي النظام نفسه على مناطق سائلة وغازية ومناطق ذات تدفق ثنائي الطور. ويمكن أن تؤدي أنظمة التدفق ثنائي الطور هذه إلى بعض من أفضل معاملات انتقال الحرارة لأي نظام.

يشير الغليان المحصور إلى الغليان في هياكل محصورة، ويتميز عادةً برقم بوند الذي يقارن المسافة بين الفجوات بطول الشعيرات الدموية. تبدأ أنظمة الغليان المحصور بلعب دور رئيسي عندما يكون رقم بوند أقل من 0.5. يهيمن على هذا النظام من الغليان "فقاعات ساق البخار" المتبقية بعد خروج البخار. ^{[ 6 ]} تعمل هذه الفقاعات كنوى لنمو البخار. يتميز الغليان المحصور عادةً بمعامل انتقال حرارة أعلى ولكن بتدفق حراري حرج أقل من الغليان في حوض. يحدث التدفق الحراري الحرج عندما تتوازن قوة زخم البخار عند السطح البيني ثنائي الطور مع مجموع قوى التوتر السطحي والقوى الهيدروستاتيكية، مما يؤدي إلى نمو غير قابل للانعكاس للبقعة الجافة. ^{[ 7 ]} يُعد الغليان المحصور واعدًا بشكل خاص لتبريد الإلكترونيات.

تتميز مخاليط السوائل المتطايرة بنقطة غليان خاصة بها، مما ينتج عنه بخار ذو تركيبة ثابتة من المكونات - وهو ما يُعرف بمزيج الغليان الثابت . تسمح هذه الخاصية بفصل مخاليط السوائل كليًا أو جزئيًا بالغليان، وتُعرف هذه الطريقة على نطاق واسع كوسيلة لفصل الإيثانول عن الماء.

تعتمد معظم أنواع التبريد وبعض أنواع التكييف على ضغط الغاز حتى يتحول إلى سائل ثم تركه ليغلي. يمتص هذا الغاز الحرارة من المحيط، مما يؤدي إلى تبريد الثلاجة أو المجمد أو تبريد الهواء الداخل إلى المبنى. تشمل السوائل الشائعة البروبان والأمونيا وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين .

تُعدّ عملية غلي الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) أقدم الطرق وأكثرها فعالية لتطهير المياه، إذ لا تؤثر على مذاقها، وتظل فعّالة حتى مع وجود الملوثات أو الجزيئات فيها، وهي عملية أحادية الخطوة تقضي على معظم الميكروبات المسببة لأمراض الأمعاء . ^{[ 8 ]} تبلغ درجة غليان الماء 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) عند مستوى سطح البحر والضغط الجوي الطبيعي. ^{[ 9 ]} في الأماكن التي تتوفر فيها أنظمة تنقية مياه مناسبة ، يُنصح باستخدام هذه الطريقة فقط كحل طارئ أو للحصول على مياه شرب في المناطق النائية أو الريفية، لأنها لا تزيل السموم الكيميائية أو الشوائب. ^{[ 10 ] [ 11 ]}    

تخضع عملية القضاء على الكائنات الدقيقة بالغليان لحركية من الدرجة الأولى ، حيث يتم ذلك في وقت أقل عند درجات الحرارة العالية، وفي وقت أطول عند درجات الحرارة المنخفضة. وتختلف حساسية الكائنات الدقيقة للحرارة؛ فعند 70 درجة مئوية (158 درجة فهرنهايت) ، قد يستغرق القضاء التام على أنواع الجيارديا (المسببة لداء الجيارديا ) عشر دقائق، بينما تستغرق معظم الميكروبات التي تصيب الأمعاء والإشريكية القولونية ( المسببة لالتهاب المعدة والأمعاء ) أقل من دقيقة. أما عند درجة الغليان، فيستغرق القضاء على ضمة الكوليرا ( الكوليرا ) عشر ثوانٍ، وفيروس التهاب الكبد الوبائي أ (المسبب لمرض اليرقان ) دقيقة واحدة. ولا يضمن الغليان القضاء على جميع الكائنات الدقيقة؛ إذ يمكن لجراثيم المطثية البقاء على قيد الحياة عند 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت)، لكنها لا تنتقل عن طريق الماء ولا تصيب الأمعاء. لذا، لا يُشترط تعقيم الماء تعقيمًا كاملًا لصحة الإنسان . ^{[ 8 ]}     

تُعدّ النصيحة التقليدية بغلي الماء لمدة عشر دقائق إجراءً وقائيًا إضافيًا، إذ تبدأ الميكروبات بالتلاشي عند درجات حرارة أعلى من 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت)، كما أن وصول الماء إلى درجة الغليان يُعدّ مؤشرًا مفيدًا يُمكن ملاحظته دون الحاجة إلى مقياس حرارة ، وعندها يكون الماء قد تم تعقيمه. ورغم أن درجة الغليان تنخفض مع ازدياد الارتفاع، إلا أن هذا الانخفاض لا يؤثر على عملية التعقيم. ^{[ 8 ] [ 12 ]}  

السلق هو طريقة لطهي الطعام في الماء المغلي أو سوائل أخرى أساسها الماء مثل المرق أو الحليب . ^{[ 13 ]} أما الطهي على نار هادئة فهو غليان خفيف، بينما في السلق يتحرك سائل الطهي ولكنه بالكاد يُكوّن فقاعات. ^{[ 14 ]}

تُعتبر درجة غليان الماء عادةً 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت؛ 373 كلفن) ، خاصةً عند مستوى سطح البحر. قد يؤثر الضغط وتغير تركيب السائل على درجة غليانه. يستغرق الطهي في المرتفعات العالية وقتًا أطول عمومًا لأن درجة الغليان تعتمد على الضغط الجوي . عند ارتفاع حوالي 1600 متر (ميل واحد) ، يغلي الماء عند حوالي 95 درجة مئوية (203 درجة فهرنهايت؛ 368 كلفن) . ^{[ 15 ]} اعتمادًا على نوع الطعام والارتفاع، قد لا يكون الماء المغلي ساخنًا بما يكفي لطهي الطعام جيدًا. ^{[ 16 ]} وبالمثل، فإن زيادة الضغط كما في طنجرة الضغط ترفع درجة حرارة المحتويات فوق درجة غليان الماء في الهواء الطلق.       

يُعرف هذا الأسلوب أيضاً باسم "الطهي في الكيس"، ويتضمن تسخين أو طهي الأطعمة الجاهزة المغلفة في كيس بلاستيكي سميك. يُغمر الكيس الذي يحتوي على الطعام، وغالباً ما يكون مجمداً، في الماء المغلي لفترة محددة. ^{[ 17 ]} يمكن تحضير الأطباق الناتجة بسهولة أكبر، إذ لا تتسخ الأواني أو المقالي أثناء العملية. تتوفر هذه الوجبات للتخييم وكذلك لتناول الطعام في المنزل.