الدرس الثاني: حالات المادة
الثانوي - الصف الحادي عشر - المسار الأكاديمي
الدرس الثاني: حالات المادة (Phase Change)
عندما تكتسب المادة طاقة أو تفقدها، فإنها قد تتغير حالتها الفيزيائية. فالماء، على سبيل المثال، يوجد في الطبيعة بثلاث حالات: صلبة (جليد)، سائلة (ماء)، غازية (بخار ماء). هذا التغير في الحالة يحدث عند درجات حرارة محددة تسمى درجة الانصهار ودرجة الغليان.
في هذا الدرس، سوف نتعرف على التغيرات بين الحالات الصلبة والسائلة والغازية، ونفهم ما يحدث للطاقة أثناء هذه التغيرات، ونحسب كميات الطاقة اللازمة لانصهار مادة أو تبخيرها باستخدام مفهوم الحرارة النوعية الكامنة.
أولاً: تغير الحالة الفيزيائية (Phase Change)
1. تعريفه
تغير الحالة الفيزيائية هو تحول المادة من حالة إلى أخرى (صلبة ↔ سائلة ↔ غازية) دون تغير في درجة حرارتها، رغم استمرار تزويدها بالطاقة أو فقدانها.
2. أنواع التغيرات
| من | إلى | اسم العملية |
|---|---|---|
| صلب | سائل | انصهار (Fusion) |
| سائل | صلب | تجمد (Freezing) |
| سائل | غاز | تبخر / غليان (Vaporization) |
| غاز | سائل | تكاثف (Condensation) |
| صلب | غاز | تسامي (Sublimation) |
| غاز | صلب | ترسيب (Deposition) |
3. ما يحدث للطاقة أثناء تغير الحالة؟
عند اكتساب طاقة (انصهار، تبخر، تسامي):
تزداد الطاقة الكامنة (طاقة الوضع) لجسيمات المادة، بينما يبقى متوسط الطاقة الحركية ثابتاً. لذلك لا تتغير درجة الحرارة.
عند فقدان طاقة (تجمد، تكاثف، ترسيب):
تقل الطاقة الكامنة، وتبقى درجة الحرارة ثابتة أيضاً.
سبب ثبات درجة الحرارة: تُستخدم الطاقة المضافة في كسر الروابط بين الجسيمات أو تقليلها (تغيير طاقة الوضع)، وليس في زيادة سرعتها (زيادة أو نقصان الطاقة الحركية).
ثانياً: الحرارة النوعية الكامنة (Specific Latent Heat)
1. تعريفها
الحرارة النوعية الكامنة هي كمية الطاقة اللازمة لتحويل 1 kg من مادة نقية من حالة إلى أخرى (صلبة إلى سائلة، أو سائلة إلى غازية) عند درجة حرارة ثابتة.
الحرارة النوعية الكامنة للانصهار (Lf)
الطاقة اللازمة لتحويل 1 kg من المادة من صلبة إلى سائلة عند درجة انصهارها.
مثال للجليد: 3.33 × 10⁵ J/kg
الحرارة النوعية الكامنة للتصعيد (Lv)
الطاقة اللازمة لتحويل 1 kg من المادة من سائلة إلى غازية عند درجة غليانها.
مثال للماء: 2.26 × 10⁶ J/kg
ملاحظة بشأن الإشارة: عند التجمد أو التكاثف، تكون الطاقة منطلقة (سالب الإشارة): Q = -m Lf أو Q = -m Lv.
2. قيم الحرارة النوعية الكامنة لبعض المواد
| المادة | درجة الانصهار (°C) | Lf (×10⁵ J/kg) | درجة الغليان (°C) | Lv (×10⁶ J/kg) |
|---|---|---|---|---|
| الماء | 0.00 | 3.33 | 100.00 | 2.26 |
| الألمنيوم | 660 | 3.97 | 2450 | 2.33 |
| النحاس | 1083 | 1.34 | 1187 | 5.06 |
| الرصاص | 327.3 | 0.245 | 1750 | 1.14 |
| الذهب | 1063 | 0.644 | 2660 | 5.06 |
ملاحظة هامة: قيمة (Lv) أكبر بكثير من (Lf) لمعظم المواد؛ لأن التبخر يتطلب كسر الروابط تماماً وجعل الجسيمات متباعدة جداً، بينما الانصهار يتطلب فقط إضعاف وتخفيف الترابط.
3. أمثلة محلولة على الحرارة النوعية الكامنة
مثال 5 (ص 73)
جليد عند 0°C، يلزم طاقة 4.6 kJ لصهره. احسب كتلته المنصهرة. (Lf = 3.34×10⁵ J/kg).
m = Q / Lf
m = (4.6 × 10³) / (3.34 × 10⁵)
m ≈ 0.01377 kg (13.77 g)
مثال 6 (ص 78)
مكعبات جليد كتلتها 2 kg عند 0°C، تُصهر ثم يُسخن الماء ليصبح 20°C. احسب الطاقة الكلية.
مثال 7 (ص 79-80)
5 kg من بخار الماء عند 130°C يُبرد إلى ماء سائل عند 50°C. احسب الطاقة المنطلقة الإجمالية.
Q₁ = 5 × 2010 × (-30)
-3.015 × 10⁵ J
Q₂ = -5 × 2.26×10⁶
-1.130 × 10⁷ J
Q₃ = 5 × 4200 × (-50)
-1.050 × 10⁶ J
ثالثاً: منحنى تغيرات الحالة الفيزيائية (Phase Change Graph)
يوضح المنحنى التغير في درجة حرارة مادة (مثل مكعب من الجليد كتلته 1.00 g) عند تزويده بالطاقة بمرور الزمن. نلاحظ فترات الارتفاع الحراري وفترات الثبات التام.
رابعاً: التبخر والغليان (Evaporation and Boiling)
التبخر (Evaporation)
- سطحية: يحدث على سطح السائل فقط.
- حرارة متغيرة: يحدث عند جميع درجات الحرارة (حتى أقل من الغليان).
- الآلية: الجزيئات الأسرع (ذات الطاقة العالية) على السطح تتغلب على قوى التماسك وتطير.
- التبريد: يسبب التبخر تبريداً للسائل لأن الجزيئات الأسرع تغادر فينخفض المتوسط الحراري للبقية.
العوامل المؤثرة:
الحرارة (تزيد) - مساحة السطح (تزيد) - حركة الهواء (تزيد) - الرطوبة النسبية (تقلل).
الغليان (Boiling)
- حجمي: عملية سريعة تحدث في كامل حجم السائل (تظهر فقاقيع).
- حرارة ثابتة: يقتصر حدوثه عند درجة حرارة محددة هي (درجة الغليان).
- الآلية: يتساوى ضغط البخار الداخلي مع الضغط الجوي لتبدأ الفقاعات بالصعود.
- الثبات: تظل الحرارة ثابتة أثناء الغليان رغم ضخ الطاقة لأنها تذهب لفك الروابط كلياً.
خامساً: أمثلة حسابية (التبخر والغليان)
حساب الطاقة المفقودة بالتعرق (سؤال 3 ص81)
فقد شخص 0.5 kg من العرق وتبخر بالكامل. احسب الطاقة الحرارية الممتصة من الجسم. (Lv للعرق ≈ 2.4×10⁶ J/kg).
حساب كتلة البخار بالغليان المستمر
يغلي ماء في وعاء. زود بطاقة 1.13×10⁶ J أثناء الغليان (100°C)، ما كتلة الماء المتبخرة؟ (Lv=2.26×10⁶ J/kg).
سادساً: تطبيقات حياتية
- تبريد الجسم بالتعرق: التبخر يمتص حرارة الجسم (طاقة التبخير الكامنة)، فيبرد السطح.
- الطهي بالضغط: يزداد الضغط فترتفع نقطة غليان الماء لأعلى من 100 المعتادة، مما يطهو أسرع.
- صنع الثلج والمواد متغيرة الطور: عند التجميد تطرد طاقة يجب إزالتها. مواد الـ PCM تخزن الطاقة (تذوب نهاراً لتبرد، تتجمد ليلاً لتدفئ).
سابعاً: أسئلة للتفكير (ص 81)
- أين تذهب الطاقة أثناء الانصهار؟تزيد من الطاقة الكامنة عبر تفكيك الروابط ولا تسرّع الجزيئات.
- أيهما يمتلك Lv أعلى؟السائل الذي يأخذ جزءاً أطول على منحنى التسخين (يستغرق طاقة أطول للتبخر الكامل).
- ماذا يحدث للحرارة بعد أن يتجمد السائل كاملاً؟يبدأ المنحنى بالنزول المستمر حيث تنزل درجة حرارة الصلب.
خلاصة الدرس
| المفهوم / العملية | التعريف | الصيغة الرياضية |
|---|---|---|
| انصهار | صلب → سائل عند حرارة ثابتة (امتصاص طاقة) | Q = m Lf |
| تبخر / غليان | سائل → غاز عند حرارة ثابتة (امتصاص طاقة) | Q = m Lv |
| تجمد / تكاثف | عملية عكسية (طرد طاقة) | Q = -m Lf / Q = -m Lv |