จุดเดือด

จุดเดือดของสารเป็นอุณหภูมิที่ความดันไอของของเหลวเท่ากับความดันโดยรอบของของเหลว และของเหลวจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอ
จุดเดือดของของเหลวจะเปลี่ยนแปลงไปตามความดันแวดล้อมที่แตกต่างกัน ของเหลวในสุญญากาศบางส่วน เช่น ภายใต้ความดันที่ต่ำกว่าจะมีจุดเดือดต่ำกว่าตอนที่ของเหลวนั้นอยู่ที่ความดันบรรยากาศ เนื่องจากเหตุนี้ น้ำจะเดือดที่ 100°C (หรือแม่นยำทางวิทยาศาสตร์: 99.97°C) ภายใต้ความดันมาตรฐานที่ระดับน้ำทะเล แต่จะเดือดที่ 93.4°C ที่ความสูง 1905 เมตร
จุดเดือดปกติ (หรือที่เรียกว่าจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ) ของของเหลวคือกรณีพิเศษที่ความดันไอของของเหลวเท่ากับความดันบรรยากาศที่กำหนดไว้ที่ระดับน้ำทะเล ซึ่งคือ 1 บรรยากาศ ที่อุณหภูมินั้น ความดันไอของของเหลวจะเพียงพอที่จะเอาชนะแรงดันบรรยากาศและทำให้เกิดฟองไอภายในของเหลว
ความร้อนของการระเหยเป็นพลังงานที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนปริมาณสารหนึ่ง (เช่น โมล กิโลกรัม ปอนด์ ฯลฯ) จากสถานะของเหลวเป็นสถานะแก๊สภายใต้ความดันที่กำหนด (มักจะเป็นความดันบรรยากาศ)
ของเหลวอาจเปลี่ยนสถานะเป็นไอที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดผ่านกระบวนการระเหย การระเหยเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นที่ผิวของของเหลว ซึ่งโมเลกุลที่อยู่ใกล้ขอบของเหลวไม่มีความดันของเหลวเพียงพอที่จะกักเก็บไว้ ทำให้สามารถหลุดออกไปในสภาพแวดล้อมรอบข้างในรูปแบบของไอ ในทางตรงกันข้าม การเดือดเป็นกระบวนการที่โมเลกุลในของเหลวสามารถหลุดออกได้ ทำให้เกิดฟองไอภายในของเหลว
อุณหภูมิและความดันอิ่มตัว.
ของเหลวอิ่มตัวหมายถึงของเหลวที่มีพลังงานความร้อนมากที่สุดเท่าที่จะมีได้โดยไม่เกิดการเดือด (หรือในทางตรงกันข้าม ไออิ่มตัวหมายถึงไอที่มีพลังงานความร้อนน้อยที่สุดเท่าที่จะมีได้โดยไม่เกิดการควบแน่น)
อุณหภูมิอิ่มตัว หมายถึง "จุดเดือด" อุณหภูมิอิ่มตัวคืออุณหภูมิสำหรับความดันอิ่มตัวที่สอดคล้องกัน ซึ่งของเหลวจะเดือดกลายเป็นไอสามารถกล่าวได้ว่าของเหลวนั้นอิ่มตัวด้วยพลังงานความร้อน การเพิ่มพลังงานความร้อนใด ๆ จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะ
หากความดันในระบบคงที่ (กระบวนการอีโซบาริก) ไอที่อุณหภูมิอิ่มตัวจะเริ่มควบแน่นกลายเป็นของเหลวเมื่อมีการกำจัดพลังงานความร้อน (ความร้อน) ในทำนองเดียวกัน ของเหลวที่อุณหภูมิและความดันอิ่มตัวจะเดือดกลายเป็นไอเมื่อมีการเพิ่มพลังงานความร้อนเพิ่มเติม
จุดเดือดสอดคล้องกับอุณหภูมิที่ความดันไอของของเหลวเท่ากับความดันโดยรอบ ดังนั้นจุดเดือดจึงขึ้นอยู่กับความดัน จุดเดือดอาจถูกเผยแพร่โดยอ้างอิงกับNIST, USA ความดันมาตรฐานที่ 101.325 กิโลปาสคาล (หรือ 1 บรรยากาศ) หรือความดันมาตรฐานของสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAC)ที่ 100.000 กิโลปาสคาล ที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น ซึ่งความดันบรรยากาศต่ำกว่ามาก จุดเดือดจะต่ำลงด้วยเช่นกัน จุดเดือดจะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้นจนถึงจุดวิกฤต ซึ่งคุณสมบัติของไอและของเหลวจะเหมือนกัน จุดเดือดไม่สามารถเพิ่มขึ้นเกินกว่าจุดวิกฤตได้เช่นกัน ในทำนองเดียวกัน จุดเดือดจะลดลงเมื่อความดันลดลงจนถึงจุดสามสถานะ จุดเดือดไม่สามารถลดลงต่ำกว่าจุดสามสถานะได้
หากทราบความร้อนของการระเหยและความดันไอของของเหลวที่อุณหภูมิหนึ่ง จุดเดือดสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการคลอเซียส–แคลเปรย์รอน ดังนี้:
 <math>T_\text{B} = \left (\frac{1}{T_0} - \frac{R\, \ln \frac{P}{P_0}}{\Delta H_\text{vap}}\right) ^{-1}</math>
โดยที่:
 <math>T_\text{B}</math> คือจุดเดือดที่ความดันที่สนใจ,
 <math>R</math> คือค่าคงที่แก๊สอุดมคติ,
 <math>P</math> คือความดันไอของของเหลว,
 <math>P_0</math> คือความดันบางค่าที่ทราบค่า <math>T_0</math> ที่สอดคล้องกัน (ปกติข้อมูลนี้จะมีอยู่ที่ 1 atm หรือ 100 kPa),
 <math>\Delta H_\text{vap}</math> คือความร้อนของการระเหยของของเหลว,
 <math>T_0</math> คืออุณหภูมิเดือด,
 <math>\ln</math> คือลอการิทึมธรรมชาติ.
ความดันอิ่มตัว คือความดันสำหรับอุณหภูมิอิ่มตัวที่สอดคล้องกัน ซึ่งของเหลวจะเดือดกลายเป็นไอ ความดันอิ่มตัวและอุณหภูมิอิ่มตัวมีความสัมพันธ์โดยตรง: เมื่อความดันอิ่มตัวเพิ่มขึ้น อุณหภูมิอิ่มตัวก็จะเพิ่มขึ้นด้วย
หากอุณหภูมิในระบบคงที่ (ระบบอุณหภูมิคงที่) ไอที่ความดันและอุณหภูมิอิ่มตัวจะเริ่มควบแน่นกลายเป็นของเหลวเมื่อความดันระบบเพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกัน ของเหลวที่ความดันและอุณหภูมิอิ่มตัวจะมีแนวโน้มที่จะระเหยอย่างรวดเร็วกลายเป็นไอเมื่อความดันระบบลดลง
มีสองแนวทางเกี่ยวกับ "จุดเดือดมาตรฐานของน้ำ": จุดเดือดปกติคือ ที่ความดัน 1 atm (คือ 101.325 kPa) IUPACแนะนำ จุดเดือดมาตรฐานของน้ำที่ความดันมาตรฐาน 100 kPa (1 บาร์) คือ . เพื่อเปรียบเทียบ ที่ยอด ภูเขาเอเวอเรสต์, ที่ความสูง ความดันอยู่ที่ประมาณ และจุดเดือดของน้ำคือ มาตราส่วนอุณหภูมิเซลเซียสถูกกำหนดจนถึงปี 1954 โดยสองจุด: 0 °C ถูกกำหนดโดยจุดเยือกแข็งของน้ำ และ 100 °C ถูกกำหนดโดยจุดเดือดของน้ำที่ความดันบรรยากาศมาตรฐาน
ความสัมพันธ์ระหว่างจุดเดือดปกติกับความดันไอของของเหลว.
ยิ่งความดันไอของของเหลวที่อุณหภูมิใด ๆ สูงขึ้นเท่าใด จุดเดือดปกติ (คือ จุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ) ของของเหลวจะยิ่งต่ำลง
กราฟความดันไอที่อยู่ทางขวามีกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอกับอุณหภูมิสำหรับของเหลวหลากหลายชนิด จากกราฟจะเห็นได้ว่าของเหลวที่มีความดันไอสูงที่สุดจะมีจุดเดือดปกติต่ำที่สุด
ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิใด ๆ ก็ตาม เมทิลคลอไรด์มีความดันไอสูงที่สุดในบรรดาของเหลวในกราฟนี้ และมีจุดเดือดปกติที่ต่ำที่สุด (-24.2 °C) ซึ่งเป็นจุดที่กราฟความดันไอของเมทิลคลอไรด์ (เส้นสีน้ำเงิน) ตัดกับเส้นความดันแนวนอนที่หนึ่งบรรยากาศ (atm) ของความดันไอสัมบูรณ์
จุดวิกฤตของของเหลวคืออุณหภูมิ (และความดัน) สูงสุดที่ของเหลวจะเดือดได้
ดูเพิ่มเติมที่ ความดันไอของน้ำ
จุดเดือดของธาตุเคมี.
ธาตุที่มีจุดเดือดต่ำที่สุดคือ ฮีเลียม ขณะที่จุดเดือดของ เรเนียม และ ทังสเตน เกิน 5000 K ที่ ความดันมาตรฐาน; เนื่องจากการวัดอุณหภูมิที่สูงมากอาจมีความคลาดเคลื่อน, ข้อมูลเกี่ยวกับจุดเดือดที่สูงของทั้งสองธาตุจึงมีการกล่าวถึงในวรรณกรรมว่าเป็นจุดเดือดที่สูงกว่านี้
จุดเดือดในฐานะคุณสมบัติอ้างอิงของสารประกอบบริสุทธิ์.
จากกราฟด้านบนของลอการิทึมของความดันไอเทียบกับอุณหภูมิสำหรับสารประกอบเคมีบริสุทธิ์ที่กำหนด จุดเดือดปกติของสารประกอบนั้นสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ถึงความระเหยโดยรวมของสารประกอบนั้น สารประกอบบริสุทธิ์ที่กำหนดจะมีเพียงจุดเดือดปกติหนึ่งจุดเท่านั้น (หากมี) และจุดเดือดปกติและจุดหลอมเหลวของสารประกอบสามารถใช้เป็นคุณสมบัติสมบัติทางกายภาพลักษณะเฉพาะสำหรับสารประกอบนั้น ๆ ซึ่งจะมีการระบุไว้ในหนังสืออ้างอิง ยิ่งจุดเดือดปกติของสารประกอบสูงเท่าไร สารประกอบนั้นก็จะมีความระเหยน้อยลงเท่านั้น และในทางกลับกัน ยิ่งจุดเดือดปกติของสารประกอบต่ำลง สารประกอบนั้นก็จะมีความระเหยมากขึ้น สารประกอบบางชนิดจะสลายตัวที่อุณหภูมิสูงก่อนที่จะถึงจุดเดือดปกติหรือบางครั้งแม้กระทั่งจุดหลอมเหลว สำหรับสารประกอบที่เสถียร จุดเดือดอยู่ในช่วงตั้งแต่จุดสามสถานะไปจนถึงจุดวิกฤต ขึ้นอยู่กับความดันภายนอก จุดเดือดปกติของสารประกอบจะสูงกว่าจุดหลอมเหลว (ถ้ามี) เมื่ออยู่เหนือจุดสามสถานะ หลังจากจุดวิกฤตแล้ว สถานะของเหลวและไอของสารประกอบจะรวมเข้าด้วยกันเป็นหนึ่งสถานะ ซึ่งอาจเรียกว่าแก๊สร้อนยวดยิ่ง เมื่ออุณหภูมิใด ๆ ก็ตาม ถ้าจุดเดือดปกติของสารประกอบต่ำกว่า สารประกอบนั้นโดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของแก๊สที่ความดันภายนอกบรรยากาศ ถ้าจุดเดือดปกติของสารประกอบสูงกว่า สารประกอบนั้นสามารถอยู่ในรูปของเหลวหรือของแข็งที่อุณหภูมิใด ๆ ก็ตามที่ความดันบรรยากาศภายนอก และจะอยู่ในสมดุลกับไอ (หากมีความระเหย) หากไอถูกเก็บรักษาไว้ หากไอของสารประกอบไม่ได้ถูกเก็บรักษาไว้ สารประกอบบางชนิดที่ระเหยได้ในที่สุดจะระเหยหายไป แม้ว่าจะมีจุดเดือดที่สูงขึ้นก็ตาม
โดยทั่วไป สารประกอบที่มีพันธะไอออนิกจะมีจุดเดือดปกติที่สูง หากไม่สลายตัวก่อนที่จะถึงอุณหภูมิสูงดังกล่าว โลหะหลายชนิดมีจุดเดือดสูง แต่ไม่ใช่ทั้งหมด โดยทั่วไปแล้วเมื่อปัจจัยอื่น ๆ เท่ากัน ในสารประกอบที่มีพันธะโควาเลนต์ เมื่อขนาดของโมเลกุล (หรือมวลโมเลกุล) เพิ่มขึ้น จุดเดือดปกติจะเพิ่มขึ้น เมื่อขนาดของโมเลกุลเพิ่มขึ้นจนกลายเป็นมาครโมเลกุล, โพลีเมอร์ หรือมีขนาดใหญ่มาก สารประกอบมักจะสลายตัวที่อุณหภูมิสูงก่อนที่จะถึงจุดเดือด อีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อจุดเดือดปกติของสารประกอบคือขั้วของโมเลกุลของสารประกอบนั้น เมื่อขั้วของโมเลกุลของสารประกอบเพิ่มขึ้น จุดเดือดปกติก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกันเมื่อปัจจัยอื่น ๆ เท่ากัน สิ่งที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดคือความสามารถของโมเลกุลในการสร้างพันธะไฮโดรเจน (ในสถานะของเหลว) ซึ่งทำให้โมเลกุลยากที่จะออกจากสถานะของเหลว และทำให้จุดเดือดปกติของสารประกอบสูงขึ้น กรดคาร์บอกซิลิกชนิดง่าย ๆ จะเกิดการรวมตัวกันเป็นคู่ผ่านการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล ปัจจัยเล็กน้อยที่ส่งผลต่อจุดเดือดคือรูปร่างของโมเลกุล การทำให้รูปร่างของโมเลกุลมีความกะทัดรัดมากขึ้นจะทำให้จุดเดือดปกติลดลงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับโมเลกุลที่มีพื้นผิวสัมผัสมากกว่า
สารประกอบที่ระเหยได้มากที่สุด (ที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิแวดล้อม) มักจะผ่านสถานะของเหลวระหว่างการอุ่นจากสถานะของแข็งเพื่อเปลี่ยนเป็นไอ ในการเปรียบเทียบกับการเดือดการระเหิดเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่สถานะของแข็งเปลี่ยนเป็นไอโดยตรง ซึ่งเกิดขึ้นในบางกรณี เช่นคาร์บอนไดออกไซด์ที่ความดันบรรยากาศ สำหรับสารประกอบดังกล่าวจุดระเหิดคืออุณหภูมิที่สถานะของแข็งเปลี่ยนเป็นไอโดยตรงมีความดันไอเท่ากับความดันภายนอก
สิ่งเจือปนและสารผสม.
ในส่วนก่อนหน้านี้ ได้ครอบคลุมจุดเดือดของสารประกอบบริสุทธิ์ ความดันไอและจุดเดือดของสารสามารถได้รับผลกระทบจากการมีอยู่ของสิ่งเจือปนที่ละลายอยู่ (สารละลาย) หรือสารอื่น ๆ ที่ผสมเข้ากันได้ ระดับของผลกระทบขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปนหรือสารอื่น ๆ การมีอยู่ของสิ่งเจือปนที่ไม่ระเหย เช่น เกลือ หรือสารประกอบที่มีความระเหยต่ำกว่าสารประกอบหลักมาก จะทำให้เศษส่วนโมลและสารละลายมีความระเหยน้อยลง และทำให้จุดเดือดปกติเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของความเข้มข้นของสารละลายที่มีสิ่งเจือปน ผลกระทบนี้เรียกว่า การเพิ่มขึ้นของจุดเดือด ตัวอย่างทั่วไปเช่น น้ำเกลือ ที่มีจุดเดือดสูงกว่าน้ำบริสุทธิ์
ในสารผสมอื่น ๆ ของสารที่สามารถผสมกันได้ (ส่วนประกอบ) อาจมีสองส่วนประกอบหรือมากกว่านั้นที่มีความระเหยต่างกัน โดยแต่ละส่วนประกอบจะมีจุดเดือดของสารบริสุทธิ์ของตัวเองที่ความดันใด ๆ ก็ตาม การมีอยู่ของส่วนประกอบที่ระเหยได้อื่น ๆ ในสารผสมมีผลกระทบต่อความดันไอ และดังนั้นจึงส่งผลต่อจุดเดือดและจุดน้ำค้างของส่วนประกอบทั้งหมดในสารผสม จุดน้ำค้างคืออุณหภูมิที่ไอควบแน่นเป็นของเหลว นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิใด ๆ ก็ตาม องค์ประกอบของไอมักจะแตกต่างจากองค์ประกอบของของเหลวในกรณีส่วนใหญ่ เพื่อแสดงผลกระทบเหล่านี้ระหว่างส่วนประกอบที่ระเหยได้ในสารผสม โดยทั่วไปจะใช้ ไดอะแกรมจุดเดือด การกลั่น เป็นกระบวนการของการเดือดและ [โดยปกติแล้ว] การควบแน่น ซึ่งใช้ประโยชน์จากความแตกต่างขององค์ประกอบระหว่างเฟสของเหลวและไอ