क्वथन
क्वथन तरल से गैस या वाष्प में तीव्र चरण संक्रमण है; क्वथन का व्युत्क्रम संघनन है। क्वथन तब होता है जब किसी तरल को उसके क्वथनांक तक गर्म किया जाता है, जब तापमान जिस पर तरल का वाष्प दबाव आसपास के वातावरण द्वारा तरल पर लगाए गए दबाव के बराबर होता है। क्वथन और [[[[वाष्पीकरण]]]] तरल वाष्पीकरण के दो मुख्य रूप हैं।
क्वथन के दो मुख्य प्रकार हैं: न्यूक्लीयट क्वथन जहां वाष्प के छोटे बुलबुले असतत बिंदुओं पर बनते हैं, और महत्वपूर्ण ऊष्मा प्रवाह उबलते हैं जहां क्वथन वाली सतह को एक निश्चित महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर गर्म किया जाता है और सतह पर वाष्प की एक फिल्म बनती है। संक्रमण क्वथनांक, दोनों प्रकार के तत्वों के साथ क्वथन का एक मध्यवर्ती, अस्थिर रूप है। जल का क्वथनांक 100 डिग्री सेल्सियस या 212 डिग्री फारेनहाइट होता है, लेकिन अधिक ऊंचाई पर पाए जाने वाले वायुमंडलीय दबाव में कमी के कारण यह कम होता है।
उबलते जल का उपयोग सम्मिलित सूक्ष्मजीव और विषाणुओं को मारकर इसे पीने योग्य बनाने की एक विधि के रूप में किया जाता है। गर्मी के प्रति विभिन्न सूक्ष्म जीवों की संवेदनशीलता अलग-अलग होती है, लेकिन अगर जल को 100 °C (212 °F) पर एक मिनट के लिए रखा जाए तो, अधिकांश सूक्ष्म जीव और वायरस निष्क्रिय हो जाते हैं। 70 डिग्री सेल्सियस (158 डिग्री फारेनहाइट) के तापमान पर दस मिनट भी अधिकांश जीवाणुओं को निष्क्रिय करने के लिए पर्याप्त है।[citation needed]
उबलते जल का उपयोग खाना पकाने के कई तरीकों में भी किया जाता है, जिसमें उबालना, भाप देना और पोचिंग (खाना बनाना) सम्मिलित हैं।
प्रकार
मुक्त संवहन
क्वथन में देखा जाने वाला सबसे कम ऊष्मा प्रवाह केवल [प्राकृतिक संवहन] उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त होता है, जहां कुछ अधिक घनत्व के कारण गर्म द्रव ऊपर उठता है। यह स्थिति तभी होती है जब क्वथनांक बहुत कम होता है, जिसका अर्थ है कि द्रव के पास की गर्म सतह का तापमान क्वथनांक के लगभग समान होता है।
न्यूक्लियेट
न्यूक्लियेट क्वथन एक गर्म सतह (विषम न्यूक्लियेशन) पर बुलबुले के विकास की विशेषता है, जो सतह पर असतत बिंदुओं से उत्पन्न होता है, जिसका तापमान तरल के तापमान से कुछ ही ऊपर होता है। सामान्यतः, बढ़ते सतह के तापमान से केंद्रक साइटों की संख्या बढ़ जाती है।
उबलते बर्तन की एक अनियमित सतह (अर्थात, बढ़ी हुई सतह खुरदरापन) या द्रव में योजक (अर्थात, सर्फेक्टेंट और/या नैनोकण) एक व्यापक तापमान सीमा पर न्यूक्लियेट क्वथन की सुविधा प्रदान करते हैं,[1][2][3] जबकि एक असाधारण समतल सतह, जैसे कि प्लास्टिक, खुद को अति ताप के लिए उधार देती है। इन परिस्थितियों में, एक गर्म तरल क्वथन में देरी दिखा सकता है और तापमान बिना उबाले क्वथनांक से कुछ ऊपर जा सकता है।
सजातीय न्यूक्लिएशन, जहां सतह के बजाय आसपास के तरल से बुलबुले बनते हैं, अगर तरल अपने केंद्र में गर्म होता है, और कंटेनर की सतहों पर ठंडा होता है। यह किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, माइक्रोवेव ओवन में, जो जल को गर्म करता है न कि कंटेनर को।
क्रिटिकल हीट फ्लक्स
क्रिटिकल हीट फ्लक्स एक घटना की थर्मल सीमा का वर्णन करता है जहां हीटिंग के दौरान एक चरण परिवर्तन होता है (जैसे कि जल को गर्म करने के लिए उपयोग की जाने वाली धातु की सतह पर बुलबुले बनते हैं), जो अचानक गर्मी हस्तांतरण की दक्षता को कम कर देता है, इस प्रकार हीटिंग सतह के स्थानीयकरण को गर्म कर देता है। जैसे ही उबलती हुई सतह को एक महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर गर्म किया जाता है, सतह पर वाष्प की एक फिल्म बन जाती है। चूंकि यह वाष्प फिल्म सतह से गर्मी को दूर ले जाने में बहुत कम सक्षम है, तापमान इस बिंदु से बहुत तेजी से बढ़ते हुए संक्रमण उबलते शासन में बढ़ता है। जिस बिंदु पर यह घटित होता है, वह उबलते द्रव की विशेषताओं और विचाराधीन गर्म सतह पर निर्भर करता है।[2]
संक्रमण
ट्रांज़िशन क्वथनांक को अस्थिर क्वथन के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, जो सतह के तापमान पर न्यूक्लियेट में अधिकतम प्राप्य और फिल्म क्वथन में न्यूनतम प्राप्य के बीच होता है।
एक गर्म तरल में तरल बुलबुले का निर्माण एक जटिल शारीरिक प्रक्रिया है जिसमें अक्सर गुहिकायन और ध्वनिक प्रभाव सम्मिलित होते हैं, जैसे कि एक केतली में व्यापक-स्पेक्ट्रम फुफकार सुनता है जो अभी तक उस बिंदु तक गर्म नहीं होता है जहां सतह पर बुलबुले उबलते हैं।
फिल्म
यदि तरल को गर्म करने वाली सतह तरल की तुलना में काफी अधिक गर्म है, तो फिल्म क्वथन लगेगी, जहां वाष्प की एक पतली परत, जिसमें कम तापीय चालकता होती है, सतह को इन्सुलेट करती है। तरल से सतह को इन्सुलेट करने वाली वाष्प फिल्म की यह स्थिति फिल्म के क्वथन की विशेषता है।
ज्यामिति का प्रभाव
पूल उबलते
पूल बॉइलिंग का तात्पर्य क्वथन से है जहां कोई मजबूर संवहन प्रवाह नहीं है। इसके बजाय, घनत्व प्रवणताओं के कारण प्रवाह होता है। यह ऊपर वर्णित किसी भी शासन का अनुभव कर सकता है।
उबलते प्रवाह
फ्लो बॉइलिंग तब होता है जब उबलता हुआ द्रव फैलता है, सामान्यतः पाइप के माध्यम से।[4] इसकी गति को पंपों द्वारा संचालित किया जा सकता है, जैसे कि बिजली संयंत्रों में, या घनत्व प्रवणताओं द्वारा, जैसे कि thermosiphon या हीट पाइप में। उबलते प्रवाह में प्रवाह अक्सर एक शून्य अंश पैरामीटर द्वारा विशेषता होती है, जो वाष्प के सिस्टम में मात्रा के अंश को इंगित करता है। वाष्प की गुणवत्ता की गणना करने के लिए कोई भी इस अंश और घनत्व का उपयोग कर सकता है, जो गैस चरण में द्रव्यमान अंश को संदर्भित करता है। घनत्व, प्रवाह दर और ऊष्मा प्रवाह के भारी प्रभावों के साथ-साथ सतही तनाव के साथ प्रवाह क्वथन बहुत जटिल हो सकता है। एक ही प्रणाली में ऐसे क्षेत्र हो सकते हैं जो तरल, गैस और दो-चरण प्रवाह वाले हों। इस तरह के दो चरण शासन किसी भी प्रणाली के कुछ बेहतरीन ताप हस्तांतरण गुणांकों को जन्म दे सकते हैं।
सीमित क्वथन
सीमित क्वथनांक सीमित ज्यामिति में क्वथन को संदर्भित करता है, सामान्यतः एक [बॉन्ड नंबर] की विशेषता होती है जो केशिका लंबाई के अंतराल की तुलना करता है। बो <0.5 होने पर सीमित क्वथन की व्यवस्था एक प्रमुख भूमिका निभाने लगती है। क्वथन की इस व्यवस्था में वाष्प के तने के बुलबुले रह जाते हैं जो वाष्प के चले जाने के बाद रह जाते हैं।[5] ये बुलबुले वाष्प वृद्धि के लिए बीज के रूप में कार्य करते हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स कूलिंग के लिए सीमित क्वथन विशेष रूप से आशाजनक है।
भौतिकी
किसी दिए गए दबाव पर रासायनिक तत्व का क्वथनांक तत्व का एक विशिष्ट गुण है। यह जल और सरल अल्कोहल (रसायन विज्ञान) सहित कई सरल यौगिकों के लिए भी सही है। एक बार क्वथन शुरू हो गया है और बशर्ते कि क्वथन स्थिर रहे और दबाव स्थिर रहे, उबलते तरल का तापमान स्थिर रहता है। इस विशेषता के कारण क्वथनांक को 100°C की परिभाषा के रूप में अपनाया गया।
आसवन
वाष्पशील तरल पदार्थों के मिश्रण में उस मिश्रण के लिए विशिष्ट क्वथनांक होता है जो घटकों के निरंतर मिश्रण के साथ वाष्प का उत्पादन करता है - निरंतर क्वथन वाला मिश्रण। यह विशेषता तरल पदार्थों के मिश्रण को क्वथन से अलग या आंशिक रूप से अलग करने की अनुमति देती है और इसे जल से इथेनॉल को अलग करने के साधन के रूप में जाना जाता है।
उपयोग करता है
प्रशीतन और एयर कंडीशनिंग
अधिकांश प्रकार के प्रशीतन और कुछ प्रकार के एयर-कंडीशनिंग एक गैस को संपीड़ित करके काम करते हैं ताकि यह तरल हो जाए और फिर इसे क्वथन दे। यह फ्रिज या फ्रीजर को ठंडा करने या किसी इमारत में प्रवेश करने वाली हवा को ठंडा करने के लिए परिवेश से गर्मी को अवशोषित करता है। विशिष्ट तरल पदार्थों में प्रोपेन, अमोनिया, कार्बन डाईऑक्साइड या नाइट्रोजन सम्मिलित हैं।
जल को पीने योग्य बनाने के लिए
जल को कीटाणुरहित करने की एक विधि के रूप में, इसे उसके क्वथनांक पर लाना 100 °C (212 °F), सबसे पुराना और सबसे प्रभावी तरीका है क्योंकि यह स्वाद को प्रभावित नहीं करता है, यह इसमें सम्मिलित दूषित पदार्थों या कणों के बावजूद प्रभावी है, और यह एकल चरण की प्रक्रिया है जो आंत से संबंधित बीमारियों को उत्पन्न करने के लिए जिम्मेदार अधिकांश रोगाणुओं को खत्म करती है।[6] जल का क्वथनांक होता है 100 °C (212 °F) समुद्र तल पर और सामान्य बैरोमीटर के दबाव में।[7] उचित जल शोधन प्रणाली वाले स्थानों में, यह केवल एक आपातकालीन उपचार पद्धति के रूप में या जंगल में या ग्रामीण क्षेत्रों में पीने योग्य जल प्राप्त करने के लिए अनुशंसित है, क्योंकि यह विषाक्त पदार्थों या अशुद्धियों को दूर नहीं कर सकता है।[8][9] क्वथन से सूक्ष्म जीवों का उन्मूलन पहले क्रम के कैनेटीक्स का पालन करता है- उच्च तापमान पर, यह कम समय में और कम तापमान पर अधिक समय में प्राप्त होता है। सूक्ष्म जीवों की ताप संवेदनशीलता भिन्न होती है 70 °C (158 °F), जिआर्डिआ प्रजातियां (जियार्डियासिस का कारण बनती हैं) पूर्ण निष्क्रियता के लिए दस मिनट का समय ले सकती हैं, अधिकांश आंतों में रोगाणुओं और एस्चेरिचिया कोलाई को प्रभावित करती हैं|ई। कोलाई (जठरांत्रशोथ) एक मिनट से भी कम समय लेते हैं; क्वथनांक पर, विब्रियो हैजा (हैजा) में दस सेकंड लगते हैं और हेपेटाइटिस ए वायरस (पीलिया के लक्षण का कारण बनता है), एक मिनट। उबालना सभी सूक्ष्म जीवों के उन्मूलन को सुनिश्चित नहीं करता है; बैक्टीरियल बीजाणु क्लोस्ट्रीडियम जीवित रह सकता है 100 °C (212 °F) लेकिन जल-जनित या आंतों को प्रभावित करने वाले नहीं हैं। इस प्रकार मानव स्वास्थ्य के लिए जल के पूर्ण विसंक्रमण (सूक्ष्मजैविकी) की आवश्यकता नहीं होती है।[6] जल को दस मिनट तक क्वथन की पारंपरिक सलाह मुख्य रूप से अतिरिक्त सुरक्षा के लिए है, क्योंकि इससे अधिक तापमान पर रोगाणु समाप्त होने लगते हैं 60 °C (140 °F) और इसे उसके क्वथनांक पर लाना भी एक उपयोगी संकेत है जिसे थर्मामीटर की मदद के बिना देखा जा सकता है, और इस समय तक जल कीटाणुरहित हो जाता है। हालांकि बढ़ती ऊंचाई के साथ वायुमंडलीय दबाव उबलते बिंदु, यह कीटाणुशोधन प्रक्रिया को प्रभावित करने के लिए पर्याप्त नहीं है।[6][10]
खाना पकाने में
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उबालना उबलते जल या अन्य जल आधारित तरल पदार्थ जैसे स्टॉक (भोजन) या दूध में खाना पकाने की विधि है।[11] उबालना कोमल उबाल है, जबकि पोचिंग (खाना पकाने) में खाना पकाने का तरल चलता है लेकिन मुश्किल से बुलबुले बनते हैं।[12] जल का क्वथनांक सामान्यतः माना जाता है 100 °C (212 °F; 373 K), विशेष रूप से समुद्र तल पर। दबाव और तरल की संरचना में बदलाव से तरल का क्वथनांक बदल सकता है। उच्च ऊंचाई पर खाना पकाने में सामान्यतः अधिक समय लगता है क्योंकि क्वथनांक वायुमंडलीय दबाव का एक कार्य है। की ऊंचाई पर one mile (1,600 m), जल लगभग उबलता है 95 °C (203 °F; 368 K).[13] भोजन के प्रकार और ऊँचाई के आधार पर, उबलता जल भोजन को ठीक से पकाने के लिए पर्याप्त गर्म नहीं हो सकता है।[14] इसी तरह, प्रेशर कुकर में दबाव बढ़ाने से सामग्री का तापमान खुली हवा के क्वथनांक से ऊपर हो जाता है।[citation needed]
बोइल-इन-द-बैग
बोइल-इन-बैग के रूप में भी जाना जाता है, इसमें मोटे प्लास्टिक बैग में सील किए गए तैयार खाद्य पदार्थों को गर्म करना या पकाना सम्मिलित है। अक्सर जमे हुए भोजन वाले बैग को निर्धारित समय के लिए उबलते जल में डुबोया जाता है।[15] परिणामी व्यंजन अधिक सुविधा के साथ तैयार किए जा सकते हैं क्योंकि प्रक्रिया में कोई बर्तन या पैन गंदे नहीं होते हैं। इस तरह के भोजन कैम्पिंग के साथ-साथ घर के खाने के लिए भी उपलब्ध हैं।
वाष्पीकरण के साथ तुलना
किसी दिए गए तापमान पर, तरल में अणुओं की गतिज ऊर्जा अलग-अलग होती है। तरल सतह पर कुछ उच्च ऊर्जा वाले कणों में इतनी ऊर्जा हो सकती है कि वे तरल के अंतर-आणविक आकर्षण बल से बच सकें और गैस बन सकें। इसे वाष्पीकरण कहा जाता है।
वाष्पीकरण केवल सतह पर होता है जबकि क्वथन पूरे तरल में होता है।
जब कोई तरल अपने क्वथनांक पर पहुँचता है तो उसमें गैस के बुलबुले बनते हैं जो सतह पर उठते हैं और हवा में फट जाते हैं। इस प्रक्रिया को उबालना कहा जाता है। यदि उबलते हुए द्रव को अधिक तीव्रता से गर्म किया जाता है तो तापमान में वृद्धि नहीं होती है लेकिन द्रव अधिक तेजी से उबलता है।
यह अंतर तरल-से-गैस संक्रमण के लिए अनन्य है; ठोस से सीधे गैस में किसी भी संक्रमण को सदैव उर्ध्वपातन (चरण संक्रमण) के रूप में संदर्भित किया जाता है, चाहे वह अपने क्वथनांक पर हो या नहीं।
यह भी देखें
- चरण आरेख
- चरण संक्रमण
- विस्फोटक क्वथन या चरण विस्फोट
- पुनर्प्राप्ति समय (पाक)
- वाष्पीकरण की तापीय धारिता
संदर्भ
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