Áp suất hơi là áp suất do hơi của một chất lỏng tạo ra khi nó cân bằng với chính chất lỏng đó ở một nhiệt độ nhất định; điểm sôi là nhiệt độ mà áp suất hơi ấy bằng áp suất bên ngoài đè lên mặt chất lỏng. Hai khái niệm này là chìa khoá của mọi kiểu chưng cất: chất nào có áp suất hơi cao hơn ở cùng nhiệt độ thì bay đi trước, và muốn sôi ở nhiệt độ thấp hơn thì chỉ cần hạ áp suất bên ngoài.
Áp suất hơi là gì, hình dung bằng một chai kín
Rót một ít nước vào chai, đậy nắp, để yên. Phân tử nước ở mặt thoáng vẫn liên tục bứt ra thành hơi, đồng thời những phân tử hơi va vào mặt nước lại bị "bắt" trở lại. Ban đầu số đi nhiều hơn số về, lượng hơi trong chai tăng dần. Tới một lúc, hai dòng bằng nhau: đó là trạng thái cân bằng. Áp suất của hơi lúc này gọi là áp suất hơi bão hoà, hay gọn là áp suất hơi.
Ba điều đáng nhớ:
- Nó chỉ phụ thuộc chất và nhiệt độ, không phụ thuộc lượng chất lỏng nhiều hay ít, chai to hay nhỏ.
- Nó tăng rất nhanh theo nhiệt độ, không đều mà theo kiểu hàm mũ.
- Chất có lực hút giữa phân tử yếu thì áp suất hơi cao, bay hơi nhanh, ngửi thấy mùi mạnh, sôi ở nhiệt độ thấp.
| Chất | Áp suất hơi ở 20 °C (khoảng) | Điểm sôi thường |
|---|---|---|
| Đietyl ete | 58,7 kPa | 34,6 °C |
| Aceton | 24,6 kPa | 56 °C |
| Etanol | 5,9 kPa | 78,4 °C |
| Nước | 2,34 kPa | 100 °C |
| Glyxerin | gần như bằng không | khoảng 290 °C |
Nhìn bảng sẽ thấy vì sao bông tẩm aceton khô gần như tức thì còn nước để trên bàn cả buổi mới khô, và vì sao ete được coi là cực kỳ dễ cháy: ở nhiệt độ phòng, hơi của nó đã chiếm hơn nửa áp suất khí quyển ngay trên mặt chất lỏng.
Điểm sôi: khi áp suất hơi "thắng" được áp suất bên ngoài
Bay hơi xảy ra ở mặt thoáng, ở bất kỳ nhiệt độ nào. Sôi thì khác: bọt hơi hình thành ngay trong lòng chất lỏng. Một bọt hơi chỉ tồn tại được nếu áp suất hơi bên trong nó đủ chống lại áp suất từ bên ngoài đè vào. Vì vậy chất lỏng sôi đúng tại nhiệt độ mà áp suất hơi bằng áp suất bên ngoài.
"Điểm sôi thường" ghi trong sách là điểm sôi ở áp suất 101,325 kPa (1 atm). Đổi áp suất là đổi điểm sôi. Ở Đà Lạt, độ cao khoảng 1.500 m, áp suất khí quyển còn chừng 85 kPa nên nước sôi vào khoảng 95 °C. Ngược lại, nồi áp suất giữ hơi lại, áp suất trong nồi lên gần gấp đôi, nước sôi ở khoảng 115–120 °C và thức ăn chín nhanh hơn.
Quá nhiệt: khi chất lỏng nóng hơn điểm sôi mà chưa sôi
Muốn có bọt hơi, cần một "mầm": vết xước trên thành bình, bọt khí nhỏ, hạt bụi. Chất lỏng thật sạch trong bình thật nhẵn có thể nóng vượt điểm sôi vài độ mà không sủi, rồi đột ngột sôi bùng. Đây là lý do có đá bọt trong chưng cất, và cũng là lý do một cốc nước đun quá lâu trong lò vi sóng có thể trào mạnh khi vừa bỏ thìa vào. Mẹo an toàn: đun nước trong lò vi sóng không quá lâu, để yên vài chục giây trước khi lấy ra.
Đường cong áp suất hơi và những cái tên phía sau
Với nước, áp suất hơi tăng như sau:
| Nhiệt độ | Áp suất hơi của nước (khoảng) |
|---|---|
| 20 °C | 2,3 kPa |
| 40 °C | 7,4 kPa |
| 60 °C | 19,9 kPa |
| 80 °C | 47,4 kPa |
| 100 °C | 101,3 kPa |
| 120 °C | khoảng 199 kPa |
Cứ thêm 20 °C, áp suất hơi tăng hơn gấp đôi. Quan hệ này được mô tả bằng phương trình Clausius – Clapeyron (mang tên Rudolf Clausius và Émile Clapeyron, thế kỷ 19), gắn tốc độ tăng của áp suất hơi với nhiệt hoá hơi của chất. Trong thực hành, kỹ sư thường dùng phương trình Antoine (do Louis Charles Antoine đề xuất năm 1888) với ba hằng số tra bảng cho từng chất, đủ chính xác trong một khoảng nhiệt độ nhất định.
Khi có hai chất: Raoult, Dalton và lý do chưng cất tách được
Hai chất tan vào nhau
Theo định luật Raoult (François-Marie Raoult, thập niên 1880), trong dung dịch lý tưởng, mỗi chất góp vào áp suất hơi một phần tỉ lệ với phần mol của nó. Hỗn hợp nửa aceton nửa nước chẳng hạn: aceton có áp suất hơi riêng lớn hơn nhiều, nên dù chỉ chiếm một nửa chất lỏng, nó chiếm phần lớn trong hơi. Hơi giàu chất dễ bay hơi hơn chất lỏng: đó là cơ sở của chưng cất đơn giản và phân đoạn.
Nhiều hỗn hợp thật lệch khỏi định luật Raoult, vì các phân tử khác loại hút nhau mạnh hơn hoặc yếu hơn phân tử cùng loại. Lệch đủ mạnh thì sinh ra hỗn hợp đẳng phí, nơi chưng cất mất tác dụng.
Hai chất không tan vào nhau
Với nước và tinh dầu, mỗi chất góp trọn áp suất hơi riêng của mình (định luật áp suất riêng phần của John Dalton, 1801). Tổng hai áp suất chạm áp suất khí quyển sớm hơn mỗi chất đi một mình, nên hỗn hợp sôi dưới 100 °C. Đó là cơ sở của chưng cất lôi cuốn hơi nước.
Chất không bay hơi tan trong nước
Muối, đường không góp gì vào hơi mà còn "chiếm chỗ" ở mặt thoáng, làm áp suất hơi của nước giảm nhẹ, điểm sôi tăng nhẹ. Nước biển chỉ sôi cao hơn nước ngọt chừng nửa độ, nên bỏ muối vào nồi không làm nấu nhanh hơn đáng kể như nhiều người tưởng.
Mỗi kiểu chưng cất dùng nguyên lý nào
| Kiểu chưng cất | Nguyên lý áp suất hơi đứng sau |
|---|---|
| Đơn giản | Chất dễ bay hơi có áp suất hơi cao hơn hẳn, đi trước |
| Phân đoạn | Chênh lệch áp suất hơi nhỏ, phải lặp nhiều bậc để cộng dồn |
| Lôi cuốn hơi nước | Hai chất không tan, áp suất hơi cộng lại (Dalton) |
| Chân không | Hạ áp suất bên ngoài để áp suất hơi đạt mức sôi ở nhiệt độ thấp |
| Đẳng phí, trích ly | Lợi dụng hoặc phá vỡ sự lệch khỏi định luật Raoult |
Phép thử: nước ấm sôi trong xi lanh
Lấy một xi lanh nhựa loại lớn không có kim, hút khoảng một phần ba nước ấm cỡ 45–50 °C, đẩy hết khí ra, bịt chặt đầu xi lanh rồi kéo mạnh pít tông. Bọt hơi xuất hiện trong lòng nước: nước đang sôi ở nhiệt độ không làm bỏng tay, vì áp suất bên ngoài đã bị hạ xuống dưới áp suất hơi của nó. Thả pít tông, bọt biến mất. Không dùng nước sôi, hướng xi lanh ra xa mặt.
Phép thử thứ hai, chỉ cần quan sát: nhỏ một giọt nước và một giọt cồn sát trùng lên mặt bàn cạnh nhau, xem giọt nào biến mất trước. Đó là bảng áp suất hơi phía trên hiện ra bằng mắt thường. Làm xa nguồn lửa.
Câu hỏi thường gặp
Áp suất hơi là gì?
Áp suất hơi là áp suất của hơi một chất khi nó cân bằng với chất lỏng của chính nó trong bình kín, ở một nhiệt độ nhất định. Nó chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất và nhiệt độ, tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng.
Mối quan hệ giữa áp suất hơi và điểm sôi là gì?
Chất lỏng sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất bên ngoài. Vì vậy chất có áp suất hơi cao sôi ở nhiệt độ thấp, và khi áp suất bên ngoài giảm, như trên núi cao hoặc trong chân không, điểm sôi cũng giảm.
Bay hơi và sôi khác nhau thế nào?
Bay hơi chỉ xảy ra ở mặt thoáng và diễn ra ở mọi nhiệt độ. Sôi là khi bọt hơi hình thành ngay trong lòng chất lỏng, chỉ xảy ra ở nhiệt độ mà áp suất hơi bằng áp suất bên ngoài.
Cho muối vào nước có làm nước sôi nhanh hơn không?
Không. Muối làm áp suất hơi của nước giảm nhẹ nên điểm sôi tăng lên một chút, với lượng muối nấu ăn thông thường thì chênh lệch rất nhỏ. Bọt sủi ngay khi thả muối chỉ là do hạt muối tạo mầm cho bọt hơi.
Phương trình Antoine dùng để làm gì?
Phương trình Antoine dùng ba hằng số riêng cho từng chất để tính áp suất hơi theo nhiệt độ. Kỹ sư dùng nó để ước lượng điểm sôi ở các áp suất khác nhau khi thiết kế chưng cất.
