Səhər durursunuz, gözlərinizi ovuşdurub çayı hazırlamaq üçün ilk öncə çaydanı qızdırırsınız. Qısa müddətdə su qaynayacaq və çayınızı hazırlaya biləcəksiniz. Amma, suyun qaynamış olduğunu necə bilirsiniz? Ümumiyyətlə qaynama nədir? Qaynama zamanı nələr baş verir? Sizin üçün maraqlıdırsa, çayınızın həzzini çıxardaraq oxumağa davam edin.
Ümumiyyətlə qaynama dedikdə, bir çoxları maddənin maye fazadan qaz fazaya keçməsini düşünür. Lakin, bu tərif tam olaraq doğru deyil. Maye fazadan qaza keçmə prosesi buxarlanma adlanır. Buxarlanma maye-qaz sərhəddində baş verir, və bu zaman mayenin buxar təzyiqi1 doyma təzyiqindən2 aşağı olur. Misal üçün: 20 °C-də, 60 faizlik nisbi rütubətdə, göldəki su buxarlanmağa davam edəcək; və yaxud da, başqa bir nümunə: ipdən asılan yuyulmuş paltarlardakı su buxarlanaraq quruyur. Buxarlanma zamanı heç vaxt qaz qabarcıqları əmələ gəlmir. Qaynama isə bərk-maye sərhədində – qaynama temperaturundan bir qədər yüksək temperatura malik səth və üzərindəki maye sərhədində baş verir. Qaynamanın baş verməsi çox vaxt mayedə qabarcıqların əmələ gəlməsi ilə xarakterizə edilir. Bu qabarcıqların əmələ gəlməsi və mayedaxili hərəkətlərdən qaynaqlanan istilik transferi qaynamanı olduqca kompleks bir fenomenə çevirir. Gəlin çaydanda qaynamağa qoyduğunuz suda nələrin baş verdiyini daha detallı incələyək.
Fərz edək ki, bizim su əvvəlcə 15 °C -dədir. Suyu isitdiyimiz zaman, əvvəlcə onun aşağı hissəsi qızır. Bəzən, bir neçə dəqiqə sonra, suyun dibində qaz qabarcıqlarının əmələ gəldiyini görürük: bunlar suyun içində həll olmuş qazlardır, hələ qaynama başlamayıb. Aşağı hissə istilik mənbəyinə daha yaxın olduğundan daha sürətli qızır və qaynama temperaturuna daha tez çatır. Bu zaman, artıq su buxarı qabarcıqlarının əmələ gəldiyini görürük, lakin, onlar yuxarı qalxdıqca itirlər. Buna səbəb üst hissədəki suyun hələ qaynama temperaturuna çatmamasıdır. Qabarcığın istiliyi mayeyə transfer olunur və qabarcığın temperaturu azalır. Bu hala soyudulmuş qaynama (sub-cooled boiling) deyilir. Müəyyən zaman sonra üst hissənin də temperaturu qaynama temperaturuna çatır, və qabarcıqlar səthə qədər çıxa bilirlər. Buna isə doymuş qaynama (saturated boiling) deyilir.
Qaynama nöqtəsi haqqında daha ətraflı
Maddə üçün qaynama nöqtəsi deyilən bir anlayış var ki, bu anlayışı, gündəlik həyatımızda, birbaşa temperatur olaraq anlayırıq. Misal üçün, suyun qaynama nöqtəsi 100 °C-dir, spirtin qaynama nöqtəsi 68 °C-dir. Gəlin qaynama nöqtəsi anlayışını bir qədər incələyək. Mayeni qızdıraraq temperaturunu artdırdıqca, mayenin üzərindəki maye buxarının təzyiqi artır; çünki daha çox maye buxarlanır. Buxar təzyiqi, əvvəlcə, ətraf mühitin təzyiqindən az olur, buna görə də, buxar mayenin üzərində qalır. Artan buxar təzyiqi ətraf mühitin təzyiqinə çatdıqda, artıq qaynama başlayır və buxar mayeni tərk edə bilir. Qısacası, qaynama nöqtəsini “buxar təzyiqinin ətraf mühit təzyiqinə bərabər olduğu temperatur” deyə tərif edə bilərik. Tərifdən birbaşa aydın olur ki, qaynama temperaturu əslində ətraf mühitin təzyiqindən asılıdır. Su üçün 100 °C, normal atmosfer təzyiqindəki,3 qaynama temperaturudur. Əgər ətraf mühitin təzyiqi azdırsa, misal üçün dağda, maddə ətraf mühit təzyiqinə daha tez çatacaq və aşağı temperaturda qaynayacaq
Qaynama nöqtəsi anlayışını rahatlaşdırmaq üçün faza diaqramlarından istifadə olunur. İdeya çox bəsitdir: diaqram üzərində bizə lazım olan temperaturu və təzyiqi qeyd edirik; iki parametrin kəsişdiyi nöqtənin hansı regiona düşdüyünə baxaraq, bu şərtlərdə maddənin hansı halda olduğunu müəyyən etmək olur.
Diaqramda, regionların arasındakı sərhəd aqqreqat hal dəyişməsinə uyğun gəlir. Misal üçün, maye-qaz sərhədi (mavi rəngli) qaynama nöqtələrini göstərir. Rahatlıqla görmək olur ki, temperatur artdıqca qaynama təzyiqi də qalxır. Təzyiq üçlü nöqtənin altında olduqda, qaynama və ya ərimə baş vermir, bərk maddə birbaşa qaza çevrilir, buna sublimasiya deyilir (karbon dioksid-CO2, normal təzyiqdə sublimasiya olur, dondurmanın saxlanılması üçün nəzərdə tutulmuş soyuducularda bu prosesi müşahidə edə bilərsiniz). Diaqramda, superkritik nöqtə adlanan ikinci ekstremal nöqtə də var. Üçlü nöqtədə başlayan qaynama fenomeni superkritik nöqtədən sonra sona çatır. Bu əsasən qapalı qabda baş verir (kifayət qədər yüksək təzyiq əldə olunduğu təqdirdə, bunu açıq qabda da müşahidə etmək olar). Qapalı qabda əmələ gələn buxar yüksək temperaturda daha çox təzyiq əmələ gətirir və qaynama temperaturu yuxarı qalxır; lakin, daha yüksək temperatur daha çox buxarlanma və təzyiqə səbəb olur. Daha çox təzyiq isə, öz növbəsində, buxar sıxlığının çoxalmasına səbəb olur və qazın sıxlığı maye sıxlığına yaxınlaşır. Maye qaynamadan, buxarla arasındakı sərhəd gözdən itir; bu minvalla da, həm qazın həm də mayenin xüsusiyyətlərinə malik olan, bir fazalı, superkritik maye əmələ gəlir. Superkritik maye, maye sıxlığına malik olsa da, qaz kimi içində olduğu qabı doldura bilir. Açıq qabda, buxar təzyiqi ətraf mühit təzyiqinə bərabər olduqda, buxar qabı tərk etməyə başlayır və təzyiq daha artmır, beləcə, qaynama baş verə bilir. Nəticə olaraq, qaynama yalnız açıq qabda baş verə bilir.
Bu videoda, Qafqaz Universiteti Kimya Mühəndisliyi tələbəsi Paşa Feyzullayev FameLab 2015dəki çıxışında vakum yaradaraq otaq temperaturunda, 25 °C-də spirti qaynadır.
Qaynama zamanı istilik daşınması
İndi isə, bir şeyi qaynatmağa niyyətləndikdə nələri bilmək lazımdır sualına ətraflı cavab verək. Hər hansı bir zavodda qaynama prosesi dizayn edilərkən, əsas məsələ istilik transferinin qiymətinin təyin edilməsidir. İstilik transferi müəyyən bir sahədən vahid zamanda keçən istilik miqdarıdır; vahidi Vatdır. Qızdırıcının gücü (neçə `vat`lıq cihazdan istifadə ediləcəyi), kobud şəkildə desək, istilik transferinin dəyəri əsasında seçilir. Qaynama prosesində istilik transferi, əsasən, konveksiya4 ilə baş verir və Newton’un soyuma qanununa tabedir:
q=hΔTartıq
h – konveksiya əmsalıdır və bir çox faktordan, həmçinin, qaynamanın rejimindən asılıdır. Bir zavod üçün əsas olan qaynama zamanı istilik transferinin maksimum çox olmasına çalışmaq, lakin, materialların çox qızmamasına nəzarət etməkdir. Buna nəzarət edə bilmək üçün qaynamanın hansı rejimdə baş verəcəyini bilmək lazımdır ki, uyğun modellər tətbiq olunaraq hesablamalar aparılsın.
Qaynama rejimləri
Bir mayenin qaynaması üçün, onun qaynama temperaturuna qədər qızdırılması lazımdır. Bunun üçün, onun içində olduğu qabın səthi qaynama temperaturundan daha artıq temperaturda olmalıdır. Bu temperaturla, suyun qaynama temperaturu arasındakı fərq, ΔTartıq, qaynama rejimini müəyyən edir.
Qaynama haqqında ilk ətraflı araşdırma S. Nukiyama tərəfindən aparılıb. O, dörd fərqli qaynama rejimini müşahidə etmişdir: təbii konveksiya qaynaması (natural convection), nukleat (nucleate)qaynaması, keçid (transition) qaynama və təbəqə qaynaması (ing. film boiling).
Əgər qızdırıcının temperaturu mayenin qaynama temperaturundan bir az çoxdursa, məsələn su üçün, qızdırıcının temperaturu 103-105 °C olarsa təbii konveksiya qaynaması baş verir. Bu zaman qabarcığın əmələ gəlməsi hiss olunmur və suyun səthinə çıxan qızmış maye buxarlanır. İstilik əsasən isti mayenin cərəyanından qaynaqlanır. Həm temperatur fərqinin az olması (az ΔT<sub>artlq</sub>), həm də cərəyanın zəif (sadəcə isti mayenin yuxarı qalxması ilə, az h) olması istilik transferinin aşağı olmasına səbəb olur.
Temperatur fərqi 5 °C-dən daha çox olduqda (su üçün) artıq nukleat qaynama başlayır. Bu zaman, əvvəlcə qızdırıcının səthində, nukleat sahələrdə5 su qabarcıqları əmələ gəlir. A-B aralığında bu qabarcıqlar suyun səthinə qədər çıxa bilmirlər. Daha çox temperaturda (B-C aralığında) müəyyən nukleat sahələrdə qabarcıqlar davamlı olaraq və sürətli şəkildə əmələ gəlir, düz xətt üzrə suyun səthinə çıxaraq bir növ `qabarcıq sütunu` əmələ gətirirlər. Bu zaman qabarcıqların hərəkəti suyu yaxşı qarışdırır, bu da daha yaxşı konveksiyaya (yüksək h) səbəb olur. Eyni zamanda ΔTartıq-ın da yüksək olması istilik transferində böyük yüksəlişə səbəb olur (Qeyd: qrafik loqarifmik şkala ilə çəkildiyi üçün realda istilik transferindəki artım burda görünəndən daha böyükdür). ΔTartıq daha çox artdıqca qızdırıcı-maye sərhədində daha çox qaz əmələ gəlir, və daha az maye isti səthlə təmasda ola bilir. Nəticə olaraq istilik transferindəki artım azalmağa başlayır. Artıq, C nöqtəsindən sonra qızdırıcının səthi ifrat miqdarda buxar ilə örtülür. Keçid qaynama adlanan bu hissədə qaynama rejimi həm nukleat, həm də təbəqə qaynaması ilə baş verir. Buxar qatı bir növ izolyator kimi davranır, və istilik transferinin qarşısını alır; beləcə, azalmağa başlayır. Bu zaman qızdırıcıya gələn istiliyin hamısı mayeyə keçə bilmir, artıq qalan istilik qızdırıcının səthinin temperaturunu daha da artırır, bu isə, öz növbəsində, daha çox buxar əmələ gəlməsinə səbəb olur və istilik transferinə mənfi təsir göstərir. Azalan istilik transferi “domino” effekti yaradaraq temperaturun daha çox artmasına səbəb olur. Bu proses öz-özünə E nöqtəsinə qədər davam edir. Nukiyama ilk dəfə bu təcrübəni apararkən istifadə etdiyi Nikel-Xrom məftili C nöqtəsini keçdikdən sonra temperatur idarəsiz olaraq qalxmağa davam etmiş və məftilin ərimə temperaturuna çatmış və məftili əritmişdi. Qızdırıcının xarab olmasına səbəb olmuş bu fenomen yanma (ing. burnout) adlanır. Daha sonradan, o, prosesi ərimə nöqtəsi daha yükəsk olan platin qızdırıcı ilə təkrarlayıb E nöqtəsindən daha yuxarı temperaturlara qalxa bilmişdi.
Sənayedə, qaynama prosesləri, əsasən, elə dizayn edilir ki, proses C nöqtəsindən daha az temperaturda aparılsın. Çünki, C nöqtəsini azacıq aşmaq, idarənin itirilməsinə və qızdırıcının sıradan çıxmasına səbəb ola bilər.
Qızdırıcının temperaturu D nöqtəsində olduqda onun səthi artıq tamamilə buxar qatı ilə örtülür və konveksiya ilə istilik transferi minimuma düşür. Lakin, yüksək temperaturlarda istilik transferinin başqa yolu – radiasiya özünü göstərməyə başlayır. Qızmış səthdəki istilik radiasiya vasitəsilə mayeyə transfer olunur və istilik transferi artmağa başlayır (Leidenfrost nöqtəsi6).
Maraqlı olan budur ki, qızdırıcının gücünü yavaş-yavaş azaltdıqda, mayenin qaynama rejimi əyridə, Leidenfrost nöqtəsinə qədər gəlir. Daha sonra, temperatur ani olaraq düşür və qaynama prosesi birbaşa əyrinin təxmini A-B aralığındakı rejimə çevrilir. Beləcə, qaynayan mayeni soyudaraq, keçid qaynama rejiminə çevirmək mümkün olmur.
İndi, içib bitirdiyiniz kofenin hazırlanmasında bir mərhələ olan suyun qaynanmasında baş verənləri yaxından öyrəndiniz. Bu proses adi ev işləri zamanı icra etdikdə, sadəcə qazı yandırıb, suyu qızdırmaq tələb olunsa da, eyni işi bir zavod üçün etməli olduqda bütün detallarına qədər nəzərdən keçirmək lazım gəlir. Əks halda, milyonları batıra biləcək səhvlər etmək mümkündür.
Qeydlər
- Mayenin üzərində olan buxarının təzyiqi (ing. vapor pressure)
- Verilmiş temperaturda havada ola biləcək maksimum buxar təzyiqi (ing. saturation pressure)
- 1 atm (atmosfer təzyiqi) = 101 325 Pa (Paskal) = 760 mmHg (millimetr civə sütunu)
- İstilik üç yolla bir nöqtədən digərinə daşına bilər – konduksiya, konveksiya və radiasiya. Konduksiya maddə daxilində heç bir hərəkət baş vermədən istiliyin daşınmasıdır, məsələn bir ucu qızdırıan dəmir çubuğun digər ucuna istilik daşınması. Konveksiya maddənin daşınması ilə birgə istiliyin daşınmasıdır. Misal üçün otaqda yandırılan qızdırıcının havanı isitməsi və bu havanın yayılaraq bütün otağı isitməsi. Radiasiya isə istiliyin elektromaqnit dalğaları ilə daşınmasıdır. Məsələn Günəşdən Yer kürəsinə istilik günəş şüası ilə gəlir.
- Nukleat sahələr – qaynama zamanı qızıdırıcı səthində qabarcıqların əmələ gəldiyi nöqtələr, çox zaman səthin kələ-kötür hissələrində olur
- Leidenfrost nöqtəsi – J. C. Leidenfrost-un şərəfinə adlandırılıb. O 1756-cı ildə müşahidə etmişdir ki, Leidenfrost nöqtəsindən daha yüksək temperaturlarda maye damla daha yavaş qaynayır. Buna səbəb damla ilə qızdırıcı arasında əmələ gələn buxar qatıdır ki, o damlanı havada saxlayır, beləcə qızdırıcıdan daha çox istilik çatmasının qarşısını alır.
Mənbələr:
- Atkins, P. W., & Paula, J. D. (2009). Elements of physical chemistry. (pp 105-122) Oxford: Oxford University Press.
- Çengel, Y. A. (2007). Heat and mass transfer: A practical approach. (pp 515-553) Boston: McGraw-Hill.
Rəsm əsəri: Məşhur suprematist rəssam Kazimir Maleviçin New Yorkun Müasir İncəsənət Muzeyində saxlanılan Samovar (1913) əsəri.
Redaktə etdi: Sadiq Niftullayev, Elmir Məhəmmədov, Ərtoğrul Alışbəyli
