حالات المادة – فيزياء توجيهي 2010

آخر تحديث: ٢٦ تشرين الأول 2026

محتويات الموضوع (١٢)

شرح الموضوع

نتاجات التعلم:

أوضح مفاهيم الحرارة النوعية الكامنة للانصهار، والحرارة النوعية الكامنة للتصعيد.
أحسب كمّية الطاقة المكتسبة أو المفقودة عند تغير الحالة الفيزيائية للمادة من حالة إلى أخرى.
أحلل رسمًا بيانيًا للتغيرات في درجة حرارة الجسم بتغير كمية الطاقة المكتسبة أو المفقودة.

تغيّر الحالة: طاقة تدخل المادة وحرارتها لا ترتفع

تتغير الحالة الفيزيائية للمادة عند اكتسابها أو فقدها مقدارًا محددًا من الطاقة، ويتضمن التغير في حالة المادة تغيرًا في الطاقة الكامنة للمادة، دون حدوث تغير في درجة حرارتها.


تغير الحالة الفيزيائية	Phase Change
درجة الانصهار	Melting Point
درجة الغليان	Boiling Point
الحرارة النوعية الكامنة للانصهار	Specific Latent Heat of Fusion
الحرارة النوعية الكامنة للتصعيد	Specific Latent Heat of Vaporization

تغير الحالة الفيزيائية

درجة حرارة المادة تتغير غالبًا عند تبادل الطاقة بينها وبين محيطها الخارجي؛ فترتفع درجة حرارة الماء عند تسخينه بانتقال طاقة حرارية إليه.

فإلى أي شيء تذهب الطاقة التي لا ترفع درجة الحرارة؟

الحالات الفيزيائية الثلاث المعروفة للمادة هي: السائلة، والصلبة، والغازية.
توجد حالة رابعة تسمى البلازما عند درجات الحرارة العالية جدًا، وستقتصر دراستنا على الحالات الثلاث.

يبين الشكل (7) تغيرين شائعين في الحالة الفيزيائية للمادة: 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

الانصهار: الطاقة تكسر الروابط والحرارة ثابتة

عند تزويد مادة صلبة بالطاقة ترتفع درجة حرارتها حتى تصل إلى درجة محددة تثبت عندها، على الرغم من استمرار تزويدها بالطاقة.
تبدأ المادة الصلبة عندئذ بالتحول إلى الحالة السائلة عند درجة الحرارة نفسها.

ثبات درجة الانصهار خصيصة فيزيائية للمادة النقية، ويتغير مقدارها من مادة إلى أخرى بحسب قوى الترابط بين جسيمات المادة.
درجة التجمد ⁦(Freezing point)⁩ هي نفسها درجة الانصهار، وعندها تتغير الحالة الفيزيائية للمادة من السائلة إلى الصلبة.

في أثناء الانصهار تستخدم الطاقة التي تزود بها المادة في تكسير الروابط بين جسيمات المادة في الحالة الصلبة، فتتحرك الجسيمات مبتعدة عن بعضها.
تزداد طاقة الوضع (الكامنة) لهذه الجسيمات مع بقاء متوسط طاقتها الحركية ثابتًا؛ لذا لا ترتفع درجة حرارة المادة.

رمزها ( $L_f$ )، ووحدة قياسها ( $\text{J/kg}$ ) بحسب النظام الدولي للوحدات، وهي خصيصة للمادة النقية لا تعتمد على كتلتها.

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

Q_{fusion} = mL_f

الإشارة السالبة: تستخدم العلاقة نفسها لحساب الطاقة الناتجة عند تحول المادة من الحالة السائلة إلى الصلبة، مع إضافة إشارة سالبة تدل على أنها طاقة ناتجة.

فمثلًا، الحرارة النوعية الكامنة لانصهار الجليد تساوي ( $3.34 \times 10^5\ \text{J/kg}$ ).
وهذا يعني أنه يلزم طاقة مقدارها ( $3.34 \times 10^5\ \text{J}$ ) لتحويل ( $1\ \text{kg}$ ) من الجليد عند درجة الانصهار ( $0^\circ\text{C}$ )
من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة عند درجة الحرارة نفسها.

ماذا يعني «الحرارة النوعية الكامنة لانصهار الذهب ( $6.44 \times 10^4\ \text{J/kg}$ )»؟

عند درجة تجمد الماء أو درجة انصهاره، يوجد الماء في حالتيه الصلبة والسائلة معًا.

إذا أضفت ( $20\ \text{g}$ ) من الجليد عند درجة حرارة ( $0^\circ\text{C}$ ) إلى كأس عصير، فسيكون له تأثير تبريد في العصير أكبر من إضافة ( $20\ \text{g}$ ) من الماء السائل عند ( $0^\circ\text{C}$ ) إليه.

لماذا؟

ملاحظة

الربط بالتكنولوجيا المادة متغيرة الحالة ⁦(Phase change material)⁩ واختصارها ⁦(PCM)⁩ هي مادة تمتص وتطلق كميات كبيرة من الطاقة في أثناء تحولها من الحالة الصلبة إلى السائلة أو العكس، عند درجة حرارة ثابتة. تعد مخزنًا للطاقة الحرارية، وتكون على شكل كبسولات صغيرة ذات غلاف بلاستيكي، داخلها مادة ⁦(PCM)⁩، ومن الأمثلة عليها شمع البرافين. تلقى هذه المواد اهتمامًا لدى العلماء؛ بغية تطوير خصائصها واستخدامها في تطبيقات تكنولوجية مختلفة، مثل استخدامها في المباني بديلًا عن مواد العزل الحراري التقليدية.

المثال 5

كتلة قطعة جليد من طاقة صهرها

🔍 أبحثُ

التغير بين الحالتين: السائلة والغازية

الغليان: الطاقة تكسر الروابط وتبذل شغلًا

باستمرار تسخين مادة سائلة ترتفع درجة حرارتها حتى تثبت عند درجة محددة، وعندها تبدأ حالتها بالتغير من السائلة إلى الغازية.
يحدث ذلك عند درجة الحرارة نفسها، على الرغم من استمرار تزويد المادة بالطاقة.

ثبات درجة الغليان خصيصة فيزيائية للمادة النقية، ويتغير مقدارها من مادة إلى أخرى بحسب قوى الترابط بين جسيماتها.

في أثناء تغير الحالة عند درجة الغليان تستخدم الطاقة في كسر قوى الترابط بين جسيمات السائل، ما يؤدي إلى زيادة المسافة بينها.
يزيد التسخين الطاقة الكامنة للجسيمات، مع بقاء متوسط طاقتها الحركية ثابتًا.
وتستخدم الطاقة أيضًا في بذل شغل ضد القوة الناتجة من ضغط الغلاف الجوي على سطح السائل، بحيث تتمكن الجسيمات من مغادرة سطح السائل.

الشكل (8): يلزم طاقة إضافية لبذل شغل ضد قوة الضغط الجوي لتوفير حيز لجُسيمات السائل المتبخّرة.

رمزها ( $L_v$ )، ووحدة قياسها ( $\text{J/kg}$ ) بحسب النظام الدولي للوحدات، وهي خصيصة للمادة النقية لا تعتمد على كتلتها.
فمثلًا، الحرارة النوعية الكامنة لتصعيد الماء تساوي ( $2.26 \times 10^6\ \text{J/kg}$ ).
وهذا يعني أنه يلزم طاقة مقدارها ( $2.26 \times 10^6\ \text{J}$ ) لتحويل ( $1\ \text{kg}$ ) من الماء عند درجة الغليان ( $100^\circ\text{C}$ )
من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (بخار الماء) عند درجة الحرارة نفسها.

ملاحظة

الربط بالصحة التعرق هو آلية يستخدمها الجسم لتبريد نفسه. عند ارتفاع درجة حرارة الجسم بسبب ارتفاع درجة حرارة الطقس أو ممارسة الرياضة يحتاج الجسم إلى البرودة والعودة إلى درجة الحرارة الطبيعية، فيفرز العرق. يؤدي تبخر العرق إلى الشعور بالبرودة لأن الحرارة اللازمة لتبخر العرق تسحب من الجسم. ويعتمد معدل التبخر على الرطوبة النسبية للهواء الملامس للجلد؛ فإذا كانت الرطوبة عالية يكون الهواء مشبعًا بالبخار، ويكون معدل تبخر العرق أبطأ. ويؤدي ذلك إلى الشعور بالتعرق اللزج الذي نشعر به عند ارتفاع درجة الحرارة والرطوبة.

الجدول والعلاقة: طاقة تبخير كتلة من سائل

يبين الجدول (2) درجتي الانصهار والغليان، وبعض قيم الحرارة النوعية الكامنة للانصهار والتصعيد لبعض المواد النقية الشائعة.

المادة	درجة الانصهار ⁦(°C)⁩	الحرارة النوعية الكامنة للانصهار ⁦(J/kg)⁩	درجة الغليان ⁦(°C)⁩	الحرارة النوعية الكامنة للتصعيد ⁦(J/kg)⁩
الأكسجين	-218.79	1.38 × 10⁴	-182.97	2.13 × 10⁵
الماء	0.00	3.33 × 10⁵	100.00	2.26 × 10⁶
الرصاص	327.3	2.45 × 10⁴	1750	8.70 × 10⁵
الألمنيوم	660	3.97 × 10⁵	2450	1.14 × 10⁷
الفضة	960.80	8.82 × 10⁴	2193	2.33 × 10⁶
الذهب	1063.00	6.44 × 10⁴	2660	1.58 × 10⁶
النحاس	1083	1.34 × 10⁵	1187	5.06 × 10⁶

تحسب كمية الطاقة ( $Q_{\text{vaporization}}$ ) اللازمة لتبخير (تصعيد) كتلة ( $m$ ) من مادة سائلة نقية عند درجة غليانها بالعلاقة الآتية:

Q_{\text{vaporization}} = m L_v

يراعى إضافة إشارة سالبة للمعادلة عند حساب الطاقة الناتجة عند تكاثف الغاز وتحوله إلى سائل عند درجة الحرارة نفسها.

ماذا يعني أن «الحرارة النوعية الكامنة لتصعيد الرصاص تساوي ( $8.70 \times 10^5\ \text{J/kg}$ )»؟

لماذا تكون درجة حرارة الجو في أثناء تساقط الثلج أدفأ نسبيًا من درجة الحرارة في أثناء انصهاره؟

منحنى تغيرات الحالة الفيزيائية

منحنى التسخين: خمس مراحل بين الجليد والبخار

يوضح الشكل (9) تمثيلًا بيانيًا للتغير في درجة حرارة الجليد بتغير كمية الطاقة المكتسبة في أثناء تحوله من الحالة الصلبة إلى الغازية.

الشكل (9): تمثيل بياني للتغير في درجة حرارة مكعب من الجليد، عند إكتسابه طاقة، وتحوله من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية.

يمثل الشكل الطاقة اللازمة لتحول مكعب من الجليد كتلته ( $1.00\ \text{g}$ ) 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.

المرحلة ⁦(A)⁩: تتغير درجة حرارة الجليد من ( $-30.0^\circ\text{C}$ ) إلى ( $0.0^\circ\text{C}$ ).
الطاقة المكتسبة للجليد الذي سعته الحرارية النوعية ( $2090\ \text{J/kg.K}$ ) تحسب بالعلاقة الآتية:

Q = m_i c_i \Delta T = 1.00 \times 10^{-3} \times 2090 \times 30.0 = 62.7 \text{ J}

المرحلة ⁦(B)⁩: عند ( $0.0^\circ\text{C}$ ) يثبت خليط (الماء - الجليد) على الرغم من استمرار تزويد العينة بالطاقة، إلى أن تنصهر العينة كاملة وتتحول إلى ماء.
الطاقة اللازمة لانصهار العينة تحسب بالعلاقة الآتية:

Q_{\text{fusion}} = m_i L_f = 1.00 \times 10^{-3} \times 3.33 \times 10^5 = 333 \text{ J}

على محور الطاقة ننتقل إلى التدريج ( $396\ \text{J}$ )، حيث ( $62.7 + 333 = 396\ \text{J}$ ).

المرحلة ⁦(C)⁩: بين ( $0.0^\circ\text{C}$ ) و ( $100.0^\circ\text{C}$ ) تستخدم الطاقة التي يزود بها الماء في رفع درجة حرارة الماء، وتحسب 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}

المرحلة ⁦(D)⁩: عند ( $100.0^\circ\text{C}$ ) يحدث تغير آخر للحالة الفيزيائية، فيتحول الماء إلى بخار عند درجة الحرارة نفسها.
الطاقة اللازمة لتصعيد العينة تحسب 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}

المرحلة ⁦(E)⁩: تستخدم الطاقة في رفع درجة حرارة البخار من ( $100.0^\circ\text{C}$ ) إلى ( $120.0^\circ\text{C}$ )، وتحسب 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}

في الشكل (9) نلاحظ أن كمية الطاقة اللازمة في المرحلة ⁦(D)⁩ لتبخر المادة أكبر من كمية الطاقة اللازمة في المرحلة ⁦(B)⁩ لصهر المادة. فما تفسير ذلك؟

التبخر والغليان

التبخر والغليان: متى يغادر الجزيء السائل؟

يخلط البعض بين مفهومي التبخر والغليان، ويوجد فرق بينهما على الرغم من أنهما يمثلان تغير حالة المادة من السائلة إلى الغازية.

فمثلًا، تسخن أشعة الشمس الماء على السطح، ويكون لبعض الجزيئات الموجودة على سطح الماء طاقة حركية أكبر من غيرها.
تتبخر الجزيئات وتغادر سطح الماء إذا كانت هذه الطاقة كافية لكسر قوى الترابط بين جزيئاته، على الرغم من أن درجة حرارته أقل من درجة الغليان.

تمتلك جزيئات السائل طاقة كافية لمغادرة السائل بكميات كبيرة بما فيها الجزيئات داخله، فيكون التبخر من أجزاء السائل جميعها.
تظهر الفقاعات تحت سطح السائل؛ إذ ترفع الطاقة المضافة الطاقة الكامنة من دون تغيير درجة الحرارة في أثناء الغليان.
تتكسر الروابط فتتحرك الجزيئات بحرية أكبر، وتتحول إلى الحالة الغازية وتخرج من السائل على هيئة فقاقيع.

الشكل (10): (أ) تبخّر الجزيئات التي على سطح السائل. (ب) تبخّر جزيئات الماء على السطح بفعل التسخين الحراري من الشمس. (ج) تبخّر الجزيئات من أجزاء السائل جميعها عند غليانه.

أقارن بين التبخر والغليان.

أبحثُ

المثال 6

تسخين الجليد: طاقة الانصهار ثم رفع الحرارة

تبريد بخار الماء: طاقة تنطلق بإشارة سالبة

الآن يبرد البخار فيتكاثف: تنطلق الطاقة التي امتصها عند التصعيد.

تمرين

تمرين: مرجل محطة الكهرباء، طاقة وقدرة

مراجعة الدرس

مراجعة الدرس: اختبر ما تعلمته

الفكرة الرئيسة: ماذا يحدث لكمية الطاقة التي تزود بها المادة في أثناء انصهارها وفي أثناء غليانها؟

تعريفات أساسية

تغير الحالة الفيزيائية ⁦(Phase Change)⁩: 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)⁩.
درجة الانصهار: درجة الحرارة التي تتغير عندها الحالة الفيزيائية للمادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وهي خاصية فيزيائية للمادة النقية.
درجة الغليان: درجة الحرارة التي تتغير عندها الحالة الفيزيائية للمادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، وهي خصيصة فيزيائية للمادة النقية.
الحرارة النوعية الكامنة للانصهار: تُعرّف الحرارة النوعية الكامنة للانصهار ⁦(Specific latent heat of fusion)⁩ بأنها كمّية الطاقة اللازمة لتحويل ( $1\ \text{kg}$ ) من المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة من دون تغيير درجة حرارتها
الحرارة النوعية الكامنة للتصعيد: تُسمّى كمية الطاقة اللازمة لتحويل ( $1\ \text{kg}$ ) من المادّة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية دون تغيير درجة حرارتها الحرارة النوعية الكامنة للتصعيد ⁦Specific latent heat of vaporization⁩

أسئلة محلولة

أيّ أجزاء المنحنى البياني يُشير إلى زيادة في مقدار الطاقة الكامنة لجسيمات المادّة فقط؟

اعرض الحل

BC، DE

أيّ أجزاء المنحنى البياني يُشير إلى زيادة في متوسط الطاقة الحركية لجسيمات المادّة؟

اعرض الحل

AB، BC

وحدة قياس الحرارة بحسب النظام الدولي للوحدات، هي

اعرض الحل

الجول.

يوضّح الشكل أدناه منحنى (درجة الحرارة - الطاقة المكتسبة) لكتلة محدّدة من مادّة ما في أثناء تزويدها بالطاقة. أستعين بهذا الشكل على ال: أيّ أجزاء المنحنى البياني يُشير إلى زيادة في مقدار الطاقة الكامنة لجسيمات المادّة فقط؟

اعرض الحل

BC، DE

يوضّح الشكل أدناه منحنى (درجة الحرارة - الطاقة المكتسبة) لكتلة محدّدة من مادّة ما في أثناء تزويدها بالطاقة. أستعين بهذا الشكل على ال: أيّ أجزاء المنحنى البياني يُشير إلى زيادة في متوسط الطاقة الحركية لجسيمات المادّة؟

اعرض الحل

AB، CD، EF

باقي الأسئلة (3)

يوضّح الشكل أدناه منحنى (درجة الحرارة - الطاقة المكتسبة) لكتلة محدّدة من مادّة ما في أثناء تزويدها بالطاقة. أستعين بهذا الشكل على ال: ماذا تُسمّى كمّية الطاقة المكتسبة اللازمة للانتقال من النقطة ⁦(B)⁩ إلى النقطة ⁦(C)⁩؟

اعرض الحل

الحرارة النوعية الكامنة للانصهار.

يوضّح الشكل أدناه منحنى (درجة الحرارة - الطاقة المكتسبة) لكتلة محدّدة من مادّة ما في أثناء تزويدها بالطاقة. أستعين بهذا الشكل على ال: ما مقدار درجة غليان المادّة؟

اعرض الحل

120°C

ما الذي يحدث لجسيمات مادّة في أثناء تغيّر حالتها الفيزيائية من السائلة إلى الغازية؟

اعرض الحل

تزداد طاقتها الكامنة فقط.

معاينة موضوع «حالات المادة» من وحدة «الديناميكا الحرارية» في مادة الفيزياء. أقسام الشرح: ١٢، التعريفات: ٥، الأسئلة المحلولة: ٨.

المصدر: المركز الوطني لتطوير المناهج، حالات المادة (ص ٧٠–٨٠)

شرح الموضوع

نتاجات التعلم:

تغيّر الحالة: طاقة تدخل المادة وحرارتها لا ترتفع

تغير الحالة الفيزيائية

التغير بين الحالتين: الصلبة والسائلة

الانصهار: الطاقة تكسر الروابط والحرارة ثابتة

المثال 5

كتلة قطعة جليد من طاقة صهرها

🔍 أبحثُ

التغير بين الحالتين: السائلة والغازية

الغليان: الطاقة تكسر الروابط وتبذل شغلًا

الجدول والعلاقة: طاقة تبخير كتلة من سائل

منحنى تغيرات الحالة الفيزيائية

منحنى التسخين: خمس مراحل بين الجليد والبخار

التبخر والغليان

التبخر والغليان: متى يغادر الجزيء السائل؟

أبحثُ

المثال 6

تسخين الجليد: طاقة الانصهار ثم رفع الحرارة

تبريد بخار الماء: طاقة تنطلق بإشارة سالبة

تمرين

تمرين: مرجل محطة الكهرباء، طاقة وقدرة

مراجعة الدرس

مراجعة الدرس: اختبر ما تعلمته

تعريفات أساسية

أسئلة محلولة

موضوعات أخرى في الوحدة

تابع الدراسة