אידוי ועיבוי

האידוי הוא תוצאה של הוספת חום (או ביותר דיוק, העלאת האנרגיה הקינטית של מולקולות הנוזל), או של הקטנת הלחץ - בלי להגיע בהכרח לנקודת הרתיחה (להלן). תהליך האידוי מתרחש רק במצב שבו נפח של נוזל גובל בנפח של גז: אם נתון כלי אטוּם המלא כולו בנוזל, לא יתרחש אידוי. אך אם הכלי מכיל נוזל רק בחלקו, ושאר הנפח הוא גז, יעברו מולקולות מהנוזל לגז, באידוי או ברתיחה; והיפוכו של דבר, גריעת חום או העלאת הלחץ יניעו מולקולות גז לעבור למצב נוזלי, בתהליך העיבוי (להלן).

הטמפרטורה של נוזל משקפת את האנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות שלו, המתבטאת במהירות תנועתן. לכן חלק מהמולקולות נעות מהר יותר מהיתר, ואם מולקולה שנעה במהירות רבה פוגעת במולקולה שנמצאת על פני השטח של הנוזל, זו האחרונה עשויה לקבל ממנה מהירות מספקת כדי לגבור על מתח הפנים של הנוזל ולעבור אל הגז שמעליו. הסתלקות המולקולה המהירה מהנוזל מקטינה את האנרגיה הקינטית הממוצעת שלו, ולפיכך מקררת אותו (וביתר דיוק, מורידה את הטמפרטורה שלו).

הגורמים המשפיעים על קצב האידוי של נפח נתון של נוזל הם הטמפרטורה ושטח הפנים. הואיל והאידוי מתרחש על פני השטח של הנוזל, הגדלת פני השטח תביא להגדלת מספר המולקולות העוזבות אותם. הגדלת הטמפרטורה על ידי חימום תעלה את האנרגיה הקינטית הממוצעת, ולפיכך תגדיל את מספר המולקולות המהירות די הצורך לגבור על מתח הפנים.

חשיבות רבה נודעת לסוג הנוזל, משום שבו תלוי טיבם של כוחות המשיכה הפועלים בין המולקולות שלו. מקורם של הכוחות הללו בכך שגם אם כל מולקולה בשלמותה היא נייטרלית מבחינה חשמלית, לרוב יש בה אזורים שהם יותר אלקטרו-שליליים מאחרים; אזורים אלה מושכים אליהם בכוח אלקטרוסטטי את האזורים הפחות אלקטרו-שליליים של מולקולות אחרות של הנוזל. לדוגמה, במולקולת המים, H₂O, אטום החמצן יותר אלקטרו-שלילי מאטומי המימן, ולכן אפשר לראותו כנושא מטען שלילי חלקי, שעה שאטומי המימן נושאים מטענים חיוביים חלקיים. אטום החמצן של מולקולת מים אחת מושך אליו איפוא את אטומי המימן של מולקולות מים אחרות. משיכה הדדית זו מקזזת במידה מסוימת את האנרגיה הקינטית שיש לכל מולקולת נוזל, ולכן, ככל שהמשיכה חזקה יותר, כן נטיית הנוזל להתאייד קטנה יותר. במולקולות הפחמימניות של הבנזין, למשל, הפרשי האלקטרו-שליליות בין אטומי הפחמן והמימן קטנים יותר מאשר ההפרשים בין האטומים היוצרים את המים, ולכן הבנזין נדיף יותר מהמים.

במכל אטום המכיל נוזל וגז (למשל, מים ואוויר), תהליך האידוי מביא להצטברות אדי מים בתוך הגז. מולקולות הגז, ובכלל זה מולקולות המים הפזורות בגז, נעות במהירות הודות לאנרגיה הקינטית שלהן, ופוגעות מפעם לפעם בפני המים. בפגיעה כו, מולקולת האד מאבדת אנרגיה (הנמסרת למולקולת הנוזל שבה פגעה). ייתכן שאובדן האנרגיה בדרך זו יהיה גדול עד כדי כך שהמולקולה תשוב ותיבלע בנוזל. תהליך זה נקרא עיבוי, או התעבות, והוא היפוכו של תהליך האידוי.

אם מכניסים נוזל לכלי ואוטמים אותו, תוך השארת כמות של אוויר בתוכו, יש לצפות שקצב האידוי יעלה בתחילה על קצב העיבוי. אך ככל שנמשך התהליך גדלה כמות המולקולות של הנוזל באוויר, ומתפתח לחץ אדים (vapor pressure) בגז. מספר מולקולות האדים בגז עולה, ולכן עולה גם מספר פגיעותיהן בפני הנוזל. בסופו של דבר מושג שיווי משקל דינמי: מספר המולקולות העוזבות את פני הנוזל בכל רגע נתון שווה למספר המולקולות החוזרות אליו, או במילים אחרות, קצב האידוי שווה לקצב העיבוי. במצב זה, שינוי הנפח יפר את שיווי המשקל. אם יוקטן נפח הגז (למשל, על ידי שימוש בבוכנה), לחץ האדים יעלה, ועמו קצב העיבוי, עד שישתרר שיווי משקל דינמי חדש. והיפוכו של דבר, העלאת הנפח תפחית את לחץ האדים, קצב העיבוי יפחת וקצב האידוי יגדל - שוב, עד שיושג שיווי משקל חדש.

לתהליכי האידוי והעיבוי חשיבות מרובה במחזור המים של כדור הארץ. מים שהתאדו מהאוקיינוסים עולים לאטמוספירה, מתעבים עם ירידת הטמפרטורה, חוזרים לפני השטח כמשקעים, וחוזר חלילה. כמו כן, יש לתהליכים אלה חשיבות במספר רב של תעשיות כימיות, ואולי יותר מכול בזיקוק: כאמור לעיל, נוזלים שונים כימית מתאדים בקצב שונה. לכן, אם מחממים תערובת של נוזלים, יעזבו אותה תחילה החומרים הנדיפים ביותר, ואז אפשר לאסוף את אדיהם, לעבות אותם בקירור, לחמם עוד את התערובת הנותרת, וחוזר חלילה. בדומה לכך, אידוי גורם לריכוז תמיסה, עקב סילוק חלק מהממס, בעוד שהמומס נשאר בה.

לרוב מתרחש האידוי בנוזלים, אך יש גם מוצקים, כגון נפתלין, יוד וקמפור, שלחץ האדים שלהם גבוה והם מתנדפים עם חימומם לפני שהם נעשים לנוזל. תהליך של מעבר מוצקים למצב גז בלי לעבור קודם לכן במצב הנוזלי קרוי המראה (סובלימציה).

כיצד משפיע לחץ האוויר על נקודת הרתיחה? ניסוי באדיבות מדעטק, המוזיאון הלאומי למדע טכנולוגיה וחלל, חיפה

קצב האידוי במכל המכיל נוזל וגז תלוי בטמפרטורה השוררת במכל. העלאת הטמפרטורה (האנרגיה הקינטית) של הנוזל, כמתואר לעיל, תגדיל את קצב האידוי, ובה בעת תגדיל את לחץ האדים מעליו. בטמפרטורה מסוימת, שהיא סגולית לכל נוזל (כלומר, אופיינית לו), לחץ האדים בתוך הגז נעשה רווי - משתווה ללחץ הגז על הנוזל, ואז, אם נמשך החימום, מגיע הנוזל לרתיחה. האנרגיה הקינטית של הנוזל נעשית כה גבוהה, עד שמולקולות שלו הופכות לגז לא רק בפני השטח שלו, אלא גם בתוך נפחו, ומתחילות להתרומם אל פניו כבועות. הגם שהחימום נמשך, הטמפרטורה של הנוזל נשארת קבועה עד שכל הנוזל הופך לגז. טמפרטורה זו קרויה "נקודת הרתיחה" של החומר. תוספת החום לנוזל במצב זה נקראת חום כמוס (latent heat), משום שהיא אינה משנה את הטמפרטורה, אלא את מצב הצבירה. לאחר שהפך כל הנוזל לגז, אם יימשך החימום, תתחיל הטמפרטורה של הגז לעלות שוב.

והיפוכו של דבר במצב שבו מקררים גז המכיל אדים: עם ירידת הטמפרטורה יורדת נקודת הרוויה, והאדים מתחילים לעזוב את הגז - הם מתעבים והופכים לנוזל, עד אשר מושג שוב לחץ אדים רווי.

כיוון שבטבע, נקודת הרתיחה תלויה בלחץ האוויר, נקודות הרתיחה שמציינים לגבי חומרים שונים הן בלחץ של 760 מ"מ כספית, שהוא הלחץ הרגיל בגובה פני הים. נקודת הרתיחה של מים בלחץ זה היא 100º צלזיוס, והיא עולה ויורדת בהתאם לשינויי הלחץ האטמוספירי. לדוגמה, נקודת הרתיחה של מים על שפת ים המלח גבוהה מ-100º, משום שלחץ האוויר שם גבוה יותר, ואילו בראשי הרים נקודת הרתיחה נמוכה מ-100º. נקודת הרתיחה של חומר במצב נוזלי היא אחת התכונות הסגוליות הבסיסיות שלו, והיא תלויה בראש ובראשונה בחוזק הקשרים בין המולקולות שלו במצב זה, כמתואר לעיל.