احسب نقطة الغليان لمختلف المواد عند ضغوط مختلفة باستخدام معادلة أنطوان. اختر من بين المواد الكيميائية الشائعة أو أدخل معلمات مادة مخصصة للحصول على نتائج دقيقة.
تُعتبر آلة حساب نقطة الغليان أداة أساسية للكيميائيين والمهندسين والعلماء الذين يحتاجون إلى تحديد درجة الحرارة التي يتحول عندها السائل إلى حالة بخار تحت ظروف ضغط مختلفة. نقطة الغليان لمادة ما هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخارها مع الضغط الجوي المحيط، مما يؤدي إلى تحول السائل إلى غاز. هذه الخاصية الفيزيائية الحرجة تتفاوت بشكل كبير مع الضغط - وهي علاقة حيوية في العديد من التطبيقات العلمية والصناعية. تستخدم آلة حساب نقطة الغليان سهلة الاستخدام لدينا معادلة أنطوان، وهي نموذج رياضي معروف، للتنبؤ بدقة بنقاط الغليان لمواد مختلفة عبر مجموعة من ظروف الضغط.
سواء كنت تقوم بتصميم عمليات كيميائية، أو تخطط لعمليات تقطير، أو ببساطة تستكشف كيف يؤثر الارتفاع على درجات حرارة الطهي، فإن فهم تباينات نقطة الغليان أمر بالغ الأهمية. توفر هذه الآلة توقعات دقيقة لنقاط الغليان للمواد الشائعة مثل الماء والإيثانول والأسيتون، بينما تتيح لك أيضًا إدخال مواد مخصصة مع معلمات معادلة أنطوان المعروفة.
نقطة الغليان لمادة ما هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخارها مع الضغط الخارجي. عند هذه النقطة، تتشكل فقاعات من البخار داخل السائل وترتفع إلى السطح، مما يؤدي إلى الغليان المعروف الذي نلاحظه. هناك عدة عوامل تؤثر على نقطة غليان المادة:
العلاقة بين الضغط ونقطة الغليان مهمة بشكل خاص. على سبيل المثال، يغلي الماء عند 100°C (212°F) عند الضغط الجوي القياسي (1 atm أو 760 mmHg)، ولكن عند الضغط المنخفض الموجود في الارتفاعات العالية، يغلي عند درجات حرارة أقل بكثير.
تُعتبر معادلة أنطوان صيغة شبه تجريبية تربط ضغط البخار بدرجة الحرارة للمكونات النقية. إنها الأساس الرياضي لآلة حساب نقطة الغليان لدينا وتُعبر عنها كالتالي:
حيث:
لحساب نقطة الغليان عند ضغط معين، نقوم بإعادة ترتيب المعادلة لحل درجة الحرارة:
تمتلك كل مادة ثوابت أنطوان فريدة تم تحديدها من خلال قياسات تجريبية. عادةً ما تكون هذه الثوابت صالحة ضمن نطاقات درجة حرارة معينة، ولهذا السبب تتضمن الآلة تحذيرات عندما تكون النتائج خارج النطاقات الموصى بها.
تم تصميم الآلة لدينا لتكون بديهية وسهلة الاستخدام. اتبع هذه الخطوات لحساب نقطة الغليان للمادة التي ترغب بها:
توفر الآلة:
للمستخدمين المهتمين بالرياضيات الأساسية، تتضمن الآلة مفتاح "خيارات متقدمة" يعرض معادلة أنطوان ويشرح كيفية استخدامها في الحساب.
تعتبر حسابات نقطة الغليان الدقيقة ضرورية في العديد من المجالات والتطبيقات:
الماء عند الارتفاع العالي (5,000 قدم):
تقطير الإيثانول الصناعي:
تقطير فراغي لمادة التولوين في المختبر:
بينما تُستخدم معادلة أنطوان على نطاق واسع لسهولتها ودقتها، تشمل الطرق الأخرى لحساب نقاط الغليان:
لكل نهج مزاياه، لكن معادلة أنطوان توفر توازنًا ممتازًا بين البساطة والدقة لمعظم التطبيقات، ولهذا السبب تم تنفيذها في آلتنا.
تطور فهم نقاط الغليان وعلاقتها بالضغط بشكل كبير على مر القرون:
في القرن السابع عشر، بدأ العلماء مثل روبرت بويل دراسات منهجية حول كيفية تأثير الضغط على خصائص الغازات والسوائل. أظهر اختراع دينيس بابين لآلة الطهي تحت الضغط في عام 1679 أن زيادة الضغط يمكن أن ترفع نقطة غليان الماء، مما يسمح بالطهي بشكل أسرع.
في القرن التاسع عشر، طور علماء مثل سادي كارنو، ورودولف كلاوزيوس، وويليام طومسون (اللورد كلفن) القوانين الأساسية للحرارة الديناميكية، مما وفر إطارًا نظريًا لفهم التحولات الطورية مثل الغليان.
في عام 1888، نشر المهندس الفرنسي لويس تشارلز أنطوان معادلته الشهيرة، التي قدمت علاقة رياضية بسيطة ولكن فعالة بين ضغط البخار ودرجة الحرارة. أصبحت هذه الصيغة شبه التجريبية بسرعة أداة قياسية في الهندسة الكيميائية والكيمياء الفيزيائية.
على مدار القرن العشرين، جمع الباحثون قواعد بيانات شاملة لثوابت أنطوان لآلاف المواد. وقد حسنت الطرق الحسابية الحديثة هذه القيم ووسعت قابلية تطبيق المعادلة على نطاقات ضغط ودرجة حرارة أوسع.
اليوم، تظل معادلة أنطوان حجر الزاوية لحسابات توازن البخار والسائل، حيث تجد تطبيقات في كل شيء من التقطير الصناعي إلى نمذجة البيئة.
إليك أمثلة على كيفية تنفيذ حسابات نقطة الغليان باستخدام معادلة أنطوان في لغات برمجة مختلفة:
1' دالة VBA في Excel لحساب نقطة الغليان
2Function CalculateBoilingPoint(A As Double, B As Double, C As Double, Pressure As Double) As Double
3 ' حساب نقطة الغليان باستخدام معادلة أنطوان
4 ' يجب أن يكون الضغط بالـ mmHg
5 CalculateBoilingPoint = B / (A - Log(Pressure) / Log(10)) - C
6End Function
7
8' استخدام المثال:
9' ثوابت الماء: A=8.07131، B=1730.63، C=233.426
10' =CalculateBoilingPoint(8.07131, 1730.63, 233.426, 760) ' النتيجة: 100.0°C عند 1 atm
111import math
2
3def calculate_boiling_point(a, b, c, pressure_mmhg):
4 """
5 حساب نقطة الغليان باستخدام معادلة أنطوان.
6
7 المعلمات:
8 a، b، c: ثوابت أنطوان للمادة
9 pressure_mmhg: الضغط بالـ mmHg
10
11 العائدات:
12 نقطة الغليان بالـ Celsius
13 """
14 return b / (a - math.log10(pressure_mmhg)) - c
15
16# مثال للماء عند الضغط القياسي (760 mmHg)
17water_constants = {"A": 8.07131, "B": 1730.63, "C": 233.426}
18pressure = 760 # 1 atm = 760 mmHg
19
20boiling_point = calculate_boiling_point(
21 water_constants["A"],
22 water_constants["B"],
23 water_constants["C"],
24 pressure
25)
26
27print(f"يغلي الماء عند {boiling_point:.2f}°C عند {pressure} mmHg")
281function calculateBoilingPoint(a, b, c, pressureMmHg) {
2 // حساب نقطة الغليان باستخدام معادلة أنطوان
3 // تعيد درجة الحرارة بالـ Celsius
4 return b / (a - Math.log10(pressureMmHg)) - c;
5}
6
7// تحويل بين وحدات درجة الحرارة
8function convertTemperature(temp, fromUnit, toUnit) {
9 // أولاً تحويل إلى Celsius
10 let tempInC;
11
12 switch (fromUnit) {
13 case 'C':
14 tempInC = temp;
15 break;
16 case 'F':
17 tempInC = (temp - 32) * 5/9;
18 break;
19 case 'K':
20 tempInC = temp - 273.15;
21 break;
22 }
23
24 // ثم تحويل من Celsius إلى الوحدة المستهدفة
25 switch (toUnit) {
26 case 'C':
27 return tempInC;
28 case 'F':
29 return (tempInC * 9/5) + 32;
30 case 'K':
31 return tempInC + 273.15;
32 }
33}
34
35// استخدام المثال للماء عند ضغوط مختلفة
36const waterConstants = { A: 8.07131, B: 1730.63, C: 233.426 };
37const standardPressure = 760; // mmHg
38const highAltitudePressure = 630; // mmHg (تقريباً 5000 قدم ارتفاع)
39
40const boilingPointAtSeaLevel = calculateBoilingPoint(
41 waterConstants.A,
42 waterConstants.B,
43 waterConstants.C,
44 standardPressure
45);
46
47const boilingPointAtAltitude = calculateBoilingPoint(
48 waterConstants.A,
49 waterConstants.B,
50 waterConstants.C,
51 highAltitudePressure
52);
53
54console.log(`يغلي الماء عند ${boilingPointAtSeaLevel.toFixed(2)}°C عند مستوى سطح البحر`);
55console.log(`يغلي الماء عند ${boilingPointAtAltitude.toFixed(2)}°C عند الارتفاع العالي`);
56console.log(`وهذا يعادل ${convertTemperature(boilingPointAtAltitude, 'C', 'F').toFixed(2)}°F`);
571public class BoilingPointCalculator {
2 /**
3 * حساب نقطة الغليان باستخدام معادلة أنطوان
4 *
5 * @param a ثابت أنطوان A
6 * @param b ثابت أنطوان B
7 * @param c ثابت أنطوان C
8 * @param pressureMmHg الضغط بالـ mmHg
9 * @return نقطة الغليان بالـ Celsius
10 */
11 public static double calculateBoilingPoint(double a, double b, double c, double pressureMmHg) {
12 return b / (a - Math.log10(pressureMmHg)) - c;
13 }
14
15 /**
16 * تحويل الضغط بين وحدات مختلفة
17 *
18 * @param pressure قيمة الضغط للتحويل
19 * @param fromUnit الوحدة المصدر ("atm"، "mmHg"، "kPa"، "psi"، "bar")
20 * @param toUnit الوحدة المستهدفة
21 * @return قيمة الضغط المحولة
22 */
23 public static double convertPressure(double pressure, String fromUnit, String toUnit) {
24 // عوامل التحويل إلى mmHg
25 double mmHg = 0;
26
27 // تحويل إلى mmHg أولاً
28 switch (fromUnit) {
29 case "mmHg": mmHg = pressure; break;
30 case "atm": mmHg = pressure * 760; break;
31 case "kPa": mmHg = pressure * 7.50062; break;
32 case "psi": mmHg = pressure * 51.7149; break;
33 case "bar": mmHg = pressure * 750.062; break;
34 }
35
36 // تحويل من mmHg إلى الوحدة المستهدفة
37 switch (toUnit) {
38 case "mmHg": return mmHg;
39 case "atm": return mmHg / 760;
40 case "kPa": return mmHg / 7.50062;
41 case "psi": return mmHg / 51.7149;
42 case "bar": return mmHg / 750.062;
43 }
44
45 return 0; // يجب ألا تصل هنا
46 }
47
48 public static void main(String[] args) {
49 // ثوابت أنطوان للماء
50 double a = 8.07131;
51 double b = 1730.63;
52 double c = 233.426;
53
54 // حساب نقطة الغليان عند الضغط القياسي
55 double standardPressure = 1.0; // atm
56 double standardPressureMmHg = convertPressure(standardPressure, "atm", "mmHg");
57 double boilingPoint = calculateBoilingPoint(a, b, c, standardPressureMmHg);
58
59 System.out.printf("يغلي الماء عند %.2f°C عند %.2f atm (%.2f mmHg)%n",
60 boilingPoint, standardPressure, standardPressureMmHg);
61
62 // حساب نقطة الغليان عند الضغط المنخفض (الارتفاع العالي)
63 double reducedPressure = 0.8; // atm
64 double reducedPressureMmHg = convertPressure(reducedPressure, "atm", "mmHg");
65 double reducedBoilingPoint = calculateBoilingPoint(a, b, c, reducedPressureMmHg);
66
67 System.out.printf("عند الارتفاع العالي (0.8 atm)، يغلي الماء عند %.2f°C%n",
68 reducedBoilingPoint);
69 }
70}
711#include <iostream>
2#include <cmath>
3#include <string>
4
5// حساب نقطة الغليان باستخدام معادلة أنطوان
6double calculateBoilingPoint(double a, double b, double c, double pressureMmHg) {
7 return b / (a - log10(pressureMmHg)) - c;
8}
9
10// تحويل درجة الحرارة بين الوحدات
11double convertTemperature(double temp, const std::string& fromUnit, const std::string& toUnit) {
12 // أولاً تحويل إلى Celsius
13 double tempInC;
14
15 if (fromUnit == "C") {
16 tempInC = temp;
17 } else if (fromUnit == "F") {
18 tempInC = (temp - 32.0) * 5.0 / 9.0;
19 } else if (fromUnit == "K") {
20 tempInC = temp - 273.15;
21 } else {
22 throw std::invalid_argument("وحدة درجة الحرارة غير صالحة");
23 }
24
25 // ثم تحويل من Celsius إلى الوحدة المستهدفة
26 if (toUnit == "C") {
27 return tempInC;
28 } else if (toUnit == "F") {
29 return (tempInC * 9.0 / 5.0) + 32.0;
30 } else if (toUnit == "K") {
31 return tempInC + 273.15;
32 } else {
33 throw std::invalid_argument("وحدة درجة الحرارة غير صالحة");
34 }
35}
36
37int main() {
38 // ثوابت أنطوان للماء
39 double a = 8.07131;
40 double b = 1730.63;
41 double c = 233.426;
42
43 // حساب نقطة الغليان عند الضغط القياسي
44 double standardPressure = 760.0; // mmHg (1 atm)
45 double boilingPoint = calculateBoilingPoint(a, b, c, standardPressure);
46
47 std::cout << "يغلي الماء عند " << boilingPoint << "°C عند الضغط القياسي (760 mmHg)" << std::endl;
48
49 // حساب نقطة الغليان عند الضغط المنخفض
50 double reducedPressure = 500.0; // mmHg
51 double reducedBoilingPoint = calculateBoilingPoint(a, b, c, reducedPressure);
52
53 std::cout << "يغلي الماء عند " << reducedBoilingPoint << "°C عند الضغط المنخفض (500 mmHg)" << std::endl;
54 std::cout << "وهذا يعادل " << convertTemperature(reducedBoilingPoint, "C", "F") << "°F" << std::endl;
55
56 return 0;
57}
58يغلي الماء عند 100°C (212°F) عند الضغط الجوي القياسي (1 atm أو 760 mmHg). يُستخدم هذا غالبًا كنقطة مرجعية في مقاييس درجات الحرارة وتعليمات الطهي.
عند الارتفاعات العالية، ينخفض الضغط الجوي، مما يؤدي إلى انخفاض نقطة غليان السوائل. بالنسبة للماء، تنخفض نقطة الغليان بحوالي 1°C لكل 285 متر (935 قدم) زيادة في الارتفاع. لهذا السبب يجب تعديل أوقات الطهي في الارتفاعات العالية.
تمتلك السوائل المختلفة نقاط غليان مختلفة بسبب اختلافات في الهيكل الجزيئي، والوزن الجزيئي، وقوة القوى بين الجزيئية. تتطلب المواد ذات القوى بين الجزيئية الأقوى (مثل الروابط الهيدروجينية في الماء) طاقة أكبر لفصل الجزيئات إلى مرحلة الغاز، مما يؤدي إلى نقاط غليان أعلى.
ثوابت أنطوان (A وB وC) هي معلمات تجريبية تُستخدم في معادلة أنطوان لربط ضغط البخار بدرجة الحرارة للمواد المحددة. يتم تحديدها من خلال قياسات تجريبية لضغط البخار عند درجات حرارة مختلفة، تليها تحليل الانحدار لمطابقة البيانات مع معادلة أنطوان.
تطبق معادلة أنطوان الأساسية على المواد النقية فقط. للخلائط، تحتاج إلى نماذج أكثر تعقيدًا مثل قانون راوولت أو نماذج معامل النشاط لأخذ التفاعلات بين المكونات المختلفة في الاعتبار. تم تصميم الآلة لدينا للمواد النقية.
يحدث الغليان عندما يتساوى ضغط بخار سائل مع الضغط الخارجي، مما يؤدي إلى تشكيل فقاعات في جميع أنحاء السائل. يحدث التبخر فقط عند سطح السائل ويمكن أن يحدث في أي درجة حرارة. الغليان هو عملية جماعية تحدث عند درجة حرارة معينة (نقطة الغليان) لضغط معين.
توفر معادلة أنطوان عادةً دقة ضمن 1-2% من القيم التجريبية ضمن نطاقات درجات الحرارة المحددة لكل مادة. خارج هذه النطاقات، قد تنخفض الدقة. بالنسبة للضغوط العالية جدًا أو درجات الحرارة القريبة من النقاط الحرجة، يُوصى باستخدام معادلات حالة أكثر تعقيدًا.
تعمل معادلة أنطوان بشكل أفضل ضمن نطاقات ضغط معتدلة. عند الضغوط العالية جدًا (التي تقترب من الضغط الحرج) أو الضغوط المنخفضة جدًا (الفراغ العميق)، قد تفقد المعادلة دقتها. ستقوم آلتنا بتحذيرك عندما تكون النتائج خارج النطاق الموصى به للمواد المحددة مسبقًا.
تستخدم الصيغة القياسية لمعادلة أنطوان درجة الحرارة بالـ Celsius (°C) والضغط بالـ mmHg. إذا كانت ثوابتك تعتمد على وحدات مختلفة، يجب تحويلها قبل استخدامها في المعادلة.
نقطة الغليان هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخار مادة مع الضغط الخارجي. مع زيادة درجة الحرارة، يزيد ضغط البخار. عندما يتطابق ضغط البخار مع الضغط المحيط، يحدث الغليان. هذه العلاقة هي بالضبط ما تصفه معادلة أنطوان.
أنطوان، سي. (1888). "توتير البخار: علاقة جديدة بين التوترات ودرجات الحرارة." محاضر جلسات أكاديمية العلوم. 107: 681–684، 778–780، 836–837.
بولينغ، ب.إي.، براوزنيتس، ج.م.، وأوكونيل، ج.ب. (2001). خصائص الغازات والسوائل (الطبعة الخامسة). ماكغرو هيل.
سميث، ج.م.، فان نيس، هـ.ج.، وأبوت، م.م. (2005). مقدمة في الديناميكا الحرارية للهندسة الكيميائية (الطبعة السابعة). ماكغرو هيل.
NIST Chemistry WebBook، SRD 69. المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. https://webbook.nist.gov/chemistry/
يواس، سي.إل. (2003). دليل يواس لخصائص الديناميكا الحرارية والخصائص الفيزيائية للمركبات الكيميائية. كنوفيل.
ريد، ر.سي.، براوزنيتس، ج.م.، وبولينغ، ب.إي. (1987). خصائص الغازات والسوائل (الطبعة الرابعة). ماكغرو هيل.
غميلينغ، ج.، كولبي، ب.، كلايبر، م.، وراي، ج. (2012). الديناميكا الحرارية الكيميائية لمحاكاة العمليات. ويلي-فش.
الآن بعد أن فهمت العلم وراء نقاط الغليان وكيف تعمل آلتنا، أنت مستعد لإجراء توقعات دقيقة لتطبيقاتك المحددة. سواء كنت طالبًا يتعلم عن الديناميكا الحرارية، أو مهندسًا محترفًا يقوم بتصميم عمليات كيميائية، أو عقلًا فضوليًا يستكشف المفاهيم العلمية، توفر آلة حساب نقطة الغليان لدينا الدقة والمرونة التي تحتاجها.
ما عليك سوى اختيار مادّتك (أو إدخال ثوابت أنطوان مخصصة)، تحديد ظروف الضغط، ورؤية نقطة الغليان المحسوبة على الفور جنبًا إلى جنب مع تصوير بياني مفيد لعلاقة الضغط ودرجة الحرارة. تجعل واجهة الآلة البديهية الحسابات المعقدة في متناول الجميع، بغض النظر عن الخلفية الفنية.
ابدأ في استكشاف العلاقة المثيرة بين الضغط ونقاط الغليان اليوم!
اكتشف المزيد من الأدوات التي قد تكون مفيدة لسير عملك