ضغط البخار

ضغط البخار ^{[ a ]} أو ضغط البخار عند الاتزان هو الضغط الذي يمارسه البخار في حالة اتزان ديناميكي حراري مع أطواره المكثفة (صلبة أو سائلة) عند درجة حرارة معينة في نظام مغلق . يُعد ضغط البخار عند الاتزان مؤشرًا على ميل السائل للتبخر ديناميكيًا حراريًا. ويرتبط بتوازن الجزيئات المتسربة من السائل (أو الصلب) في حالة اتزان مع تلك الموجودة في طور البخار المصاحب. غالبًا ما يُشار إلى المادة ذات ضغط البخار العالي عند درجات الحرارة العادية بأنها متطايرة . يُعرف الضغط الذي يُظهره البخار الموجود فوق سطح سائل بضغط البخار. مع ارتفاع درجة حرارة السائل، تصبح التفاعلات الجاذبة بين جزيئات السائل أقل أهمية مقارنةً بإنتروبيا تلك الجزيئات في الطور الغازي، مما يزيد من ضغط البخار. وبالتالي، من المرجح أن يكون للسوائل ذات التفاعلات الجزيئية القوية ضغوط بخار أقل، والعكس صحيح بالنسبة للتفاعلات الأضعف.

يزداد ضغط بخار أي مادة بشكل غير خطي مع درجة الحرارة، وغالبًا ما يُوصف ذلك بعلاقة كلاوزيوس-كلابيرون . تُعرف درجة غليان السائل عند الضغط الجوي (وتُسمى أيضًا درجة الغليان العادية ) بأنها درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط البخار مع الضغط الجوي المحيط. مع أي زيادة طفيفة في درجة الحرارة، يصبح ضغط البخار كافيًا للتغلب على الضغط الجوي ، مما يؤدي إلى تكوّن فقاعات بخارية في السائل. يتطلب تكوّن الفقاعات في أعماق أكبر من السائل درجة حرارة أعلى قليلًا نظرًا لارتفاع ضغط السائل، الناتج عن الضغط الهيدروستاتيكي لكتلة السائل في الأعلى. أما في الأعماق الضحلة، فالأهم هو ارتفاع درجة الحرارة اللازمة لبدء تكوّن الفقاعات. يؤدي التوتر السطحي لجدار الفقاعة إلى زيادة الضغط في الفقاعات الأولية الصغيرة جدًا.

يُقاس ضغط البخار بوحدات الضغط القياسية . يعترف النظام الدولي للوحدات (SI) بالضغط كوحدة مشتقة بوحدة القوة لكل وحدة مساحة، ويُحدد الباسكال (Pa) كوحدة قياسية له. ^{[ 1 ]} الباسكال الواحد يساوي نيوتن واحد لكل متر مربع (N·m⁻² ^أو kg·m⁻¹ ^· s⁻² ⁾ .

يُعدّ القياس التجريبي لضغط البخار إجراءً بسيطًا للضغوط الشائعة التي تتراوح بين 1 و200 كيلو باسكال. ^{[ 2 ]} تُحصل أدق النتائج بالقرب من نقطة غليان المادة؛ أما القياسات الأقل من 1 كيلو باسكال فتكون عرضة لأخطاء كبيرة. تتضمن الإجراءات عادةً تنقية المادة المراد اختبارها، وعزلها في وعاء، وإزالة أي غاز غريب، ثم قياس ضغط التوازن للطور الغازي للمادة في الوعاء عند درجات حرارة مختلفة. تتحقق دقة أفضل عند الحرص على أن تكون المادة وبخارها عند درجة الحرارة المحددة. ويتم ذلك غالبًا، كما هو الحال عند استخدام جهاز قياس الضغط المتساوي ، عن طريق غمر منطقة الاحتواء في حمام سائل.

يمكن قياس ضغوط البخار المنخفضة جدًا للمواد الصلبة باستخدام طريقة خلية انصباب كنودسن .

في السياق الطبي، يُعبّر عن ضغط البخار أحيانًا بوحدات أخرى، وتحديدًا بوحدة ملليمتر زئبق (mmHg) . وتُعدّ المعرفة الدقيقة بضغط البخار مهمةً بالنسبة للمخدرات الاستنشاقية المتطايرة ، والتي يكون معظمها سوائل في درجة حرارة الجسم، ولكن لها ضغط بخار مرتفع نسبيًا.

معادلة أنطوان ^{[ 3 ] [ 4 ]} هي تعبير رياضي عملي يصف العلاقة بين ضغط البخار ودرجة حرارة المواد السائلة أو الصلبة النقية. تُستنتج هذه المعادلة من خلال مطابقة المنحنيات، وهي مُكيَّفة مع حقيقة أن ضغط البخار عادةً ما يكون متزايدًا ومقعرًا كدالة لدرجة الحرارة. الصيغة الأساسية للمعادلة هي:

$${\displaystyle \log P=A-{\frac {B}{C+T}}}$$

ويمكن تحويلها إلى هذا الشكل المحدد لدرجة الحرارة:

$${\displaystyle T={\frac {B}{A-\log P}}-C}$$

أين:

• ${\displaystyle P}$هو الضغط البخاري المطلق لمادة ما
• ${\displaystyle T}$هي درجة حرارة المادة
• ${\displaystyle A}$،${\displaystyle B}$و${\displaystyle C}$هي معاملات خاصة بالمادة (أي ثوابت أو معلمات)
• ${\displaystyle \log }$عادة ما يكون إما${\displaystyle \log _{10}}$أو${\displaystyle \log _{e}}$^{[ 4 ]}

يُستخدم أحيانًا شكل أبسط للمعادلة يحتوي على معاملين فقط:

$${\displaystyle \log P=A-{\frac {B}{T}}}$$

والتي يمكن تحويلها إلى:

$${\displaystyle T={\frac {B}{A-\log P}}}$$

للتسامي والتبخر لنفس المادة مجموعات منفصلة من معاملات أنطوان، وكذلك الحال بالنسبة لمكونات المخاليط. ^{[ 3 ]} كل مجموعة من المعاملات لمركب معين قابلة للتطبيق فقط ضمن نطاق درجة حرارة محدد. عمومًا، تُختار نطاقات درجات الحرارة للحفاظ على دقة المعادلة بنسبة تتراوح بين 8 و10 بالمئة. بالنسبة للعديد من المواد المتطايرة، تتوفر عدة مجموعات مختلفة من المعاملات وتُستخدم لنطاقات درجات حرارة مختلفة. تتميز معادلة أنطوان بدقة منخفضة مع أي مجموعة معاملات منفردة عند استخدامها من نقطة انصهار المركب إلى درجة حرارته الحرجة. كما تكون الدقة منخفضة عادةً عندما يكون ضغط البخار أقل من 10 تور بسبب قيود الجهاز المستخدم لتحديد قيم معاملات أنطوان.

تُعطي معادلة فاغنر ^{[ 5 ]} "واحدة من أفضل" ^{[ 6 ]} التطابقات مع البيانات التجريبية، لكنها معقدة للغاية. وهي تُعبّر عن ضغط البخار المُخفّض كدالة لدرجة الحرارة المُخفّضة.

بشكل عام، يزداد ضغط بخار السوائل عند درجات الحرارة المحيطة مع انخفاض درجة غليانها. ويتضح ذلك في مخطط ضغط البخار (انظر إلى اليمين) الذي يعرض رسومًا بيانية لضغط البخار مقابل درجات الحرارة لمجموعة متنوعة من السوائل. ^{[ 7 ]} عند درجة الغليان العادية للسائل، يساوي ضغط البخار الضغط الجوي القياسي، والذي يُعرف بأنه ضغط جوي واحد، ^{[ 1 ]} 760  تور، أو 101.325  كيلو باسكال، أو 14.69595  رطل لكل بوصة مربعة.

على سبيل المثال، عند أي درجة حرارة معينة، يمتلك كلوريد الميثيل أعلى ضغط بخاري بين جميع السوائل في الجدول. كما أنه يمتلك أدنى نقطة غليان طبيعية عند -24.2 درجة مئوية (-11.6 درجة فهرنهايت) ، وهي النقطة التي يتقاطع عندها منحنى ضغط بخار كلوريد الميثيل (الخط الأزرق) مع خط الضغط الأفقي لضغط بخار مطلق يساوي ضغط جوي واحد ( atm ).  

على الرغم من أن العلاقة بين ضغط البخار ودرجة الحرارة غير خطية، يستخدم الرسم البياني محورًا رأسيًا لوغاريتميًا لإنتاج خطوط منحنية قليلاً، مما يسمح برسم العديد من السوائل في رسم بياني واحد. ويُحصل على خط مستقيم تقريبًا عند رسم لوغاريتم ضغط البخار مقابل 1/(T + 230) ^{[ 8 ]} حيث T هي درجة الحرارة بالدرجات المئوية. ويتساوى ضغط بخار السائل عند نقطة غليانه مع ضغط الوسط المحيط به.

يُعطي قانون راؤول تقريبًا لضغط بخار مخاليط السوائل. وينص على أن نشاط (ضغط أو فاعلية ) خليط أحادي الطور يساوي مجموع ضغوط بخار المكونات المرجحة بالكسر المولي:

${\displaystyle P_{\rm {tot}}=\sum _{i}Py_{i}=\sum _{i}P_{i}^{\rm {sat}}x_{i}\,}$

أين${\displaystyle P_{\rm {tot}}}$يمثل ضغط بخار الخليط،${\displaystyle x_{i}}$يمثل الكسر المولي للمكون${\displaystyle i}$في الحالة السائلة و${\displaystyle y_{i}}$يمثل الكسر المولي للمكون${\displaystyle i}$في الطور البخاري على التوالي.${\displaystyle P_{i}^{\rm {sat}}}$يمثل ضغط بخار المكون${\displaystyle i}$ينطبق قانون راؤول فقط على المواد غير الإلكتروليتية (الأنواع غير المشحونة)؛ وهو الأنسب للجزيئات غير القطبية ذات قوى التجاذب بين الجزيئات الضعيفة فقط (مثل قوى لندن ).

تُسمى الأنظمة التي يكون ضغط بخارها أعلى مما هو مُبين في الصيغة أعلاه، أنظمة ذات انحرافات موجبة. يشير هذا الانحراف إلى ضعف التجاذب بين الجزيئات مقارنةً بالمكونات النقية، بحيث يمكن اعتبار الجزيئات "مُرتبطة" في الطور السائل بقوة أقل من ارتباطها في السائل النقي. مثال على ذلك هو مزيج الأيزوتروب المكون من 95% إيثانول و5% ماء تقريبًا. ولأن ضغط بخار مزيج الأيزوتروب أعلى مما تنبأ به قانون راؤول، فإنه يغلي عند درجة حرارة أقل من درجة غليان أي من المكونين النقيين.

توجد أيضًا أنظمة ذات انحرافات سالبة، حيث تكون ضغوط بخارها أقل من المتوقع. يُعد هذا الانحراف دليلًا على وجود تجاذب بين جزيئات مكونات الخليط أقوى مما هو موجود في المكونات النقية. وبالتالي، تكون الجزيئات "مُرتبطة" بالسائل بقوة أكبر عند وجود جزيء ثانٍ. ومن الأمثلة على ذلك خليط من ثلاثي كلورو الميثان (الكلوروفورم) و2-بروبانون (الأسيتون)، الذي يغلي عند درجة حرارة أعلى من درجة غليان أي من المكونين النقيين.

يمكن استخدام الانحرافات السالبة والموجبة لتحديد معاملات النشاط الديناميكي الحراري لمكونات المخاليط.

يمكن تعريف ضغط بخار التوازن بأنه الضغط الذي تصل إليه المادة المكثفة عندما تكون في حالة توازن مع بخارها. في حالة المواد الصلبة المتوازنة، مثل البلورات ، يُعرَّف هذا الضغط بأنه الضغط الذي يتساوى عنده معدل تبخر المادة الصلبة مع معدل ذوبانها لتكوين البخار. يكون هذا الضغط منخفضًا جدًا بالنسبة لمعظم المواد الصلبة، ولكن من الاستثناءات البارزة النفثالين ، والثلج الجاف (يبلغ ضغط بخار الثلج الجاف 5.73 ميجا باسكال (831 رطل لكل بوصة مربعة، 56.5 ضغط جوي) عند 20  درجة مئوية، مما يتسبب في تمزق معظم الحاويات المغلقة)، والجليد. جميع المواد الصلبة لها ضغط بخار، ولكن نظرًا لانخفاض قيمها في كثير من الأحيان، قد يكون قياسها صعبًا. تشمل التقنيات الشائعة استخدام التحليل الحراري الوزني وقياس نفاذية الغاز.

توجد عدة طرق لحساب ضغط التسامي (أي ضغط البخار) لمادة صلبة. إحدى هذه الطرق هي تقدير ضغط التسامي من ضغوط بخار السائل المستنبطة (للسائل فائق التبريد)، إذا كانت حرارة الانصهار معروفة، وذلك باستخدام هذا الشكل المحدد من علاقة كلاوزيوس-كلابيرون: ^{[ 9 ]}

${\displaystyle \ln \,P_{\rm {s}}^{\rm {sub}}=\ln \,P_{\rm {l}}^{\rm {sub}}-{\frac {\Delta _{\rm {fus}}H}{R}}\left({\frac {1}{T_{\rm {sub}}}}-{\frac {1}{T_{\rm {fus}}}}\right)}$

أين:

• ${\displaystyle P_{\rm {s}}^{\rm {sub}}}$يمثل ضغط التسامي للمكون الصلب عند درجة الحرارة${\displaystyle T_{\rm {sub}}<T_{\rm {fus}}}$.
• ${\displaystyle P_{\rm {l}}^{\rm {sub}}}$يمثل ضغط البخار المستنبط للمكون السائل عند درجة الحرارة${\displaystyle T_{\rm {sub}}<T_{\rm {fus}}}$.
• ${\displaystyle \Delta _{\rm {fus}}H}$هي حرارة الانصهار.
• ${\displaystyle R}$هو ثابت الغازات .
• ${\displaystyle T_{\rm {sub}}}$هي درجة حرارة التسامي.
• ${\displaystyle T_{\rm {fus}}}$هي درجة حرارة نقطة الانصهار.

تفترض هذه الطريقة أن حرارة الانصهار مستقلة عن درجة الحرارة، وتتجاهل درجات حرارة التحول الإضافية بين الأطوار الصلبة المختلفة، وتعطي تقديرًا معقولًا لدرجات الحرارة القريبة من نقطة الانصهار. كما تُظهر أن ضغط التسامي أقل من ضغط بخار السائل المُستنبط (Δfus _H > 0)، وأن الفرق يزداد مع ازدياد المسافة عن نقطة الانصهار.

كجميع السوائل، يغلي الماء عندما يصل ضغط بخاره إلى الضغط المحيط به. في الطبيعة، يكون الضغط الجوي أقل في المرتفعات العالية، وبالتالي يغلي الماء عند درجة حرارة أقل. يمكن تقريب درجة غليان الماء عند الضغط الجوي باستخدام معادلة أنطوان .

${\displaystyle \log _{10}\left({\frac {P}{1{\text{ Torr}}}}\right)=8.07131-{\frac {1730.63\ {}^{\circ }{\text{C}}}{233.426\ {}^{\circ }{\text{C}}+T_{b}}}}$

أو تحويلها إلى هذا الشكل المحدد لدرجة الحرارة:

${\displaystyle T_{b}={\frac {1730.63\ {}^{\circ }{\text{C}}}{8.07131-\log _{10}\left({\frac {P}{1{\text{ Torr}}}}\right)}}-233.426\ {}^{\circ }{\text{C}}}$

حيث درجة الحرارة${\displaystyle T_{b}}$هي درجة الغليان بالدرجات المئوية والضغط${\displaystyle P}$هو بالتور .

تنص قاعدة دوهرينغ على وجود علاقة خطية بين درجات الحرارة التي يمارس عندها محلولان نفس ضغط البخار.

الجدول التالي عبارة عن قائمة بمجموعة متنوعة من المواد مرتبة حسب زيادة ضغط البخار (بالوحدات المطلقة).

توجد عدة طرق تجريبية لتقدير ضغط البخار من التركيب الجزيئي للجزيئات العضوية. من الأمثلة على ذلك طريقة SIMPOL.1، ^{[ 14 ]} وطريقة مولر وآخرون، ^{[ 9 ]} وطريقة EVAPORATION (تقدير ضغط بخار المواد العضوية، مع مراعاة تأثيرات درجة الحرارة والتأثيرات داخل الجزيئية وعدم الإضافة). ^{[ 15 ] [ 16 ]}

في علم الأرصاد الجوية ، يُشير مصطلح ضغط البخار إلى الضغط الجزئي لبخار الماء في الغلاف الجوي، حتى وإن لم يكن في حالة اتزان. ^{[ 17 ]} ويختلف هذا عن معناه في العلوم الأخرى. ^{[ 17 ]} ووفقًا لمسرد مصطلحات الأرصاد الجوية الصادر عن الجمعية الأمريكية للأرصاد الجوية ، يُشير ضغط بخار التشبع إلى ضغط بخار الماء عند الاتزان فوق سطح مستوٍ من الماء السائل أو الجليد الصلب، وهو دالة لدرجة الحرارة فقط، وما إذا كانت الحالة المكثفة سائلة أم صلبة. ^{[ 18 ]} وتُعرَّف الرطوبة النسبية نسبةً إلى ضغط بخار التشبع. ^{[ 19 ]} ولا يشترط ضغط بخار الاتزان أن تكون الحالة المكثفة سطحًا مستويًا؛ فقد تتكون من قطرات صغيرة قد تحتوي على مواد مذابة (شوائب)، كما هو الحال في السحب . ^{[ 20 ] [ 19 ]} قد يختلف ضغط بخار التوازن اختلافًا كبيرًا عن ضغط بخار التشبع اعتمادًا على حجم القطرات ووجود جزيئات أخرى تعمل كنوى تكثيف السحب . ^{[ 20 ] [ 19 ]}

مع ذلك، تُستخدم هذه المصطلحات بشكل غير متسق، ويستخدم بعض المؤلفين مصطلح "ضغط بخار التشبع" خارج نطاق المعنى الضيق المُحدد في مُعجم الجمعية الأمريكية للأرصاد الجوية . على سبيل المثال، ينص نصٌّ عن الحمل الحراري في الغلاف الجوي على أن " تأثير كلفن يجعل ضغط بخار التشبع فوق السطح المنحني للقطرة أكبر من ضغطه فوق سطح الماء المستوي" (التشديد مُضاف). ^{[ 21 ]}

يُشتق مصطلح "ضغط بخار التشبع"، الذي لا يزال شائع الاستخدام، من نظرية قديمة مفادها أن بخار الماء يذوب في الهواء، وأن الهواء عند درجة حرارة معينة لا يمكنه استيعاب سوى كمية محددة من الماء قبل أن يصبح "مشبعًا". ^{[ 19 ]} في الواقع، وكما ينص قانون دالتون (المعروف منذ عام 1802)، فإن الضغط الجزئي لبخار الماء أو أي مادة أخرى لا يعتمد على الهواء إطلاقًا، ودرجة الحرارة ذات الصلة هي درجة حرارة السائل. ^{[ 19 ]} ومع ذلك، لا يزال هذا الاعتقاد الخاطئ سائدًا بين عامة الناس وحتى بين خبراء الأرصاد الجوية، مدعومًا بالمصطلحات المضللة " ضغط التشبع" و "التشبع الفائق" والتعريف المرتبط بهما للرطوبة النسبية . ^{[ 19 ]}

• الرطوبة المطلقة
• معادلة أنطوان
• طريقة لي-كيسلر
• معامل التناضح
• قانون راؤول : انخفاض ضغط البخار في المحلول
• ضغط بخار ريد
• الرطوبة النسبية
• التقلب النسبي
• كثافة بخار التشبع
• نقطة ثلاثية
• ضغط البخار الحقيقي
• توازن البخار والسائل
• ضغوط بخار العناصر (صفحة البيانات)
• ضغط بخار الماء
• الكيمياء تحت الضغط العالي

• مخطط خصائص السوائل ، إنجينيرز إيدج
• ضغط البخار ، الفيزياء الفائقة
• ضغط البخار ، مسرد المصطلحات الخاص بصحائف بيانات سلامة المواد
• أداة حساب ضغط البخار عبر الإنترنت (تتطلب التسجيل)
• توقعات ضغوط بخار المركبات العضوية السائلة النقية ( مؤرشفة بتاريخ ٢٨ نوفمبر ٢٠٢١ في أرشيف الإنترنت)