ملخص حالات المادة، الفيزياء

تغير الحالة الفيزيائية

• يحدث غالبًا تغير في درجة حرارة المادة عند حدوث تبادل في الطاقة بينها وبين محيطها الخارجي.
• ترتفع درجة حرارة الماء عند تسخينه بسبب انتقال طاقة حرارية إليه من مصدر التسخين.
• توجد حالات لا يؤدي فيها نقل الطاقة إلى تغير في درجة الحرارة.
• يحدث هذا عندما تتغير الحالة الفيزيائية للمادة وهو ما يعرف باسم تغير الحالة ⁦(Phase Change)⁩.
• الحالات الفيزيائية الثلاث المعروفة للمادة هي: السائلة، والصلبة، والغازية.
• توجد حالة رابعة تسمى البلازما عند درجات الحرارة العالية جدًا.
• ستقتصر دراستنا على الحالات الثلاث.
• يبين الشكل (7) تغيرين شائعين في الحالة الفيزيائية للمادة هما: التغير بين الحالتين الصلبة والسائلة (الانصهار، أو التجمد)، والتغير بين الحالتين السائلة والغازية (التصعيد، أو التكاثف).
• تتضمن هذه التغيرات تغيرًا في الطاقة الكامنة (الوضع) للمادة من دون تغير في درجة حرارتها.

التغير بين الحالتين: الصلبة والسائلة

• وتحسب كمية الطاقة ($Q_{fusion}$) اللازمة لصهر كتلة ($m$) من مادة صلبة نقية عند درجة انصهارها بالعلاقة الآتية: $Q_{fusion} = mL_f$

التغير بين الحالتين: السائلة والغازية

• التعرق هو آلية يستخدمها الجسم لتبريد نفسه.
• يحتاج الجسم إلى البرودة والعودة إلى درجة الحرارة الطبيعية عند ارتفاع درجة حرارة الجسم بسبب ارتفاع درجة حرارة الطقس أو ممارسة الرياضة.
• يفرز الجسم العرق في هذه الحالة.
• يؤدي تبخر العرق إلى الشعور بالبرودة لأن الحرارة اللازمة لتبخر العرق تُسحب من الجسم.
• يعتمد معدل التبخر على الرطوبة النسبية للهواء الملامس للجلد.
• يكون الهواء مشبعًا بالبخار إذا كانت الرطوبة عالية.
• يكون معدل تبخر العرق أبطأ في حالة الرطوبة العالية.
• يؤدي ذلك إلى الشعور بالتعرق اللزج الذي نشعر به عند ارتفاع درجة الحرارة والرطوبة.
• تُحسب كمية الطاقة ($Q_{\text{vaporization}}$) اللازمة لتبخير (تصعيد) كتلة ($m$) من مادّة سائلة نقية عند درجة غليانها بالعلاقة الآتية: $Q_{\text{vaporization}} = m L_v$
• يراعى إضافة إشارة سالبة للمعادلة عند استخدامها في حساب الطاقة الناتجة عند تكاثف الغاز وتحوله إلى سائل عند درجة الحرارة نفسها.

منحنى تغيرات الحالة الفيزيائية

• يوضح الشكل (9) تمثيلاً بيانيًا للتغير في درجة حرارة الجليد بتغير كمية الطاقة المكتسبة في أثناء تحوله من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية.
• يوضح الشكل المرسوم الطاقة اللازمة لتحوّل مكعب من الجليد كتلته ⁦(1.00 g)⁩ ودرجة حرارته ($-30.0^\circ\text{C}$) إلى بخار درجة حرارته ($120.0^\circ\text{C}$).
• يمكن تقسيم المنحنى إلى خمس مراحل كما هو مثبت على الشكل.
• تتغير درجة حرارة المرحلة ⁦(A)⁩ للجليد من ($-30.0^\circ\text{C}$) إلى ($0.0^\circ\text{C}$).
• يمكن حساب الطاقة المكتسبة للجليد الذي سعتُه الحرارية النوعية ⁦(2090 J/kg.K)⁩ بالعلاقة الآتية: $Q = m_i c_i \Delta T = 1.00 \times 10^{-3} \times 2090 \times 30.0 = 62.7 \text{ J}$
• يثبت خليط (الماء- الجليد) في المرحلة ⁦(B)⁩ عند درجة حرارة ($0.0^\circ\text{C}$) على الرغم من استمرار تزويد العينة بالطاقة إلى أن تنصهر العينة كاملة وتتحول إلى ماء.
• تُحسب الطاقة اللازمة لانصهار العينة بالعلاقة الآتية: $Q_{\text{fusion}} = m_i L_f = 1.00 \times 10^{-3} \times 3.33 \times 10^5 = 333 \text{ J}$
• نلاحظ الانتقال على محور الطاقة إلى التدريج ⁦(396 J)⁩ حيث ⁦(62.7 + 333 = 396 J)⁩.
• تستخدم الطاقة التي يزود بها الماء في المرحلة ⁦(C)⁩ بين درجتي الحرارة ($0.0^\circ\text{C}$) و ($100.0^\circ\text{C}$) في رفع درجة حرارة الماء.
• تُحسب الطاقة في هذه المرحلة بالعلاقة الآتية: $Q = m_w c_w \Delta T = 1.00 \times 10^{-3} \times 4.19 \times 10^3 \times 100.0 = 419 \text{ J}$
• يحدث تغير آخر للحالة الفيزيائية للمادة في المرحلة ⁦(D)⁩ عند درجة الحرارة ($100.0^\circ\text{C}$) عندما يتحول الماء إلى بخار عند درجة الحرارة نفسها.
• يمكن حساب الطاقة اللازمة لتصعيد العينة بالعلاقة الآتية: $Q_{\text{vaporization}} = m_w L_v = 1.00 \times 10^{-3} \times 2.26 \times 10^6 = 2.26 \times 10^3 \text{ J}$
• تستخدم الطاقة في المرحلة ⁦(E)⁩ في رفع درجة حرارة البخار من ($100.0^\circ\text{C}$) إلى ($120.0^\circ\text{C}$).
• تُحسب الطاقة في هذه المرحلة بالعلاقة الآتية: $Q = m_s c_s \Delta T = 1.00 \times 10^{-3} \times 2.01 \times 10^3 \times 20.0 = 40.2 \text{ J}$

التبخر والغليان

• يخلط البعض بين مفهومي التبخر والغليان.
• يوجد فرق بين التبخر والغليان على الرغم من أنهما يُمثّلان تغيّر حالة المادة من السائلة إلى الغازية.
• يحدث ⁦Evaporation⁩ عند درجات…