ماذا يحدث لمعظم المواد عند تسخينها
- قبل أن نعرف ما يحدث لمعظم المواد عند تسخينها، يجب أن نعرف حالات المادة الرئيسية، وهي الحالات الغازية والصلبة والسائلة، وهناك حالة أخرى غير شائعة في الدورة الدموية وهي البلازما.
- إنه مثل غاز ليس له شكل محدد أو حجم واضح، وقد نجده في حالات أخرى مثل البلورات السائلة التي تكون في الحالة الوسطى بين الحالة الصلبة والسائلة.
- تتميز المادة الصلبة بأنها ذات حجم وشكل معينين، مثل الثلج، كما أن المادة السائلة لها حجم معين، ولكن يمكن أن يحدث تغيير في حالتها كما هو الحال في حالة الماء، ولكن الغاز واحد من حالات المادة التي ليس لها شكل أو حجم محدد.
- يمكن تلخيص كل هذه الحالات في مثال واحد وهو تأثير الحرارة على الجليد الذي يتحول من مادة صلبة إلى سائلة، وعندما يستمر تعرضه للحرارة يتحول إلى حالة غازية وهي بخار الماء.
كيف تتأثر المواد بالتسخين؟
- سنبدأ بالحديث عما يحدث لمعظم المواد عند تسخينها، ثم سنتحدث عن تأثير الحرارة على كل منها. عند ذكر مصطلح الحرارة، يتبادر إلى الذهن تأثير ارتفاع درجة الحرارة على الحالات الرئيسية للمادة، وهي الحالات الصلبة والغازية والسائلة.
- ولكنه يشمل أيضًا درجات الحرارة المنخفضة والمتوسطة، كما تعلمنا في دورة العلوم أن المواد الصلبة يمكن أن تتمدد عند درجة حرارة عالية، وقد تنكمش عند تعرضها لدرجة حرارة منخفضة.
- حيث يمكن للمادة أن تتحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ومن الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة في حالة التجمد، ويعني الانكماش أو الانكماش انخفاض حجم المادة، أو نقص المساحة التي تشغلها المادة الصلبة في الفضاء الفارغ، والمواد التي تحترق بسرعة في الهواء تسمى قابلة للاحتراق أو الاشتعال.
- بما في ذلك البنزين والفحم والخشب والمواد غير القابلة للاحتراق تسمى المواد غير القابلة للاحتراق، بما في ذلك المعادن والأحجار، ولكن عند تعرضها للحرارة العالية، يحدث تغيير في حالتها، حيث يحدث تحول المادة الصلبة إلى سائل، و من سائل إلى مادة غازية.
أولاً، تأثير الحرارة على المواد الصلبة
- عندما تتعرض المادة الصلبة للحرارة العالية، فإنها تؤدي إلى نوع من الضعف بين قوى التجاذب بين جزيئات المادة الصلبة المسؤولة عن شكلها الصلب، وعندما تضعف هذه الجسيمات نتيجة التعرض للحرارة فإنها تتباعد. من بعضها البعض، وتبدأ عملية الذوبان تدريجيًا ولفترة زمنية معينة تتحول إلى حالة سائلة.
- يسمى هذا تحويل المواد الصلبة إلى مواد سائلة عن طريق عملية الانصهار، في حين أن درجة الحرارة التي تصل إلى المادة الصلبة بالذوبان تسمى نقطة الانصهار، وتختلف درجة الانصهار من مادة إلى أخرى.
- حيث أن كل مادة فولاذية لها نقطة انصهار مختلفة عن المواد الأخرى، حيث أن نقطة انصهار الجليد على سبيل المثال تختلف عن الدرجة المطلوبة لصهر الحديد الذي يتطلب درجة حرارة أعلى.
- سوف نأخذ مثالاً توضيحيًا لذلك، فمثلاً درجة ذوبان الثلج تساوي صفر درجة مئوية، وتبقى هذه الدرجة ثابتة أثناء عملية التحول حتى نهاية عملية الذوبان حتى نجد الجليد على شكل سائل. المادة، والتي تسمى تحول الطور.
- حيث تبدأ الروابط بين الجزيئات في الضعف وتصبح قوى التجاذب بينها مساوية للصفر، ثم تتحول إلى مادة سائلة، وبعد تريندات تبدأ درجة الحرارة في الذوبان تدريجياً.
- عندما ترفع درجة الحرارة أكثر، ستبدأ في الغليان، وعندما تستمر في التعرض للحرارة ستتحول إلى حالة غازية أو بخار ماء.
- تأثير آخر للحرارة على الأجسام هو عملية التمدد، حيث يحدث تغير في درجة الحرارة، مما يؤدي إلى زيادة طاقة الجسيمات الاهتزازية التي تشكل المواد الصلبة.
- وهكذا يحدث تريندات في متوسط المسافة بين الجزيئات ويحدث تغير في أبعاد المادة، ويمكن رؤية ذلك بالعين المجردة والتي تعرف بظاهرة التمدد الحراري.
- هناك فرق بين حجم تمدد المواد الصلبة حسب نوع المادة، بسبب قوة التماسك بين ذراتها أو جزيئاتها. قد يكون حجم التمدد طفيفًا في بعض المواد عند تعرضها للحرارة.
- خاصة عند مقارنتها بالمواد السائلة والغازية، حيث أن قوى الترابط بين جزيئات المواد الصلبة أكبر من هذه القوى بين جزيئات المادة السائلة، وتلك الروابط بين ذرات المواد الغازية غائبة.
ثانيًا، تأثير الحرارة على المواد الغازية
- هناك تأثير لدرجة الحرارة المرتفعة على المواد الغازية، ولكن بالحجم الثابت، حيث أن جزيئات الغاز لديها طاقة أعلى من جزيئات المواد الأخرى عند تعرضها لدرجة حرارة منخفضة، حيث يحدث تسارع بين الجزيئات في الفراغ الذي تشغله، مما يزيد معدلات الاصطدام بينهما في الثانية. هذا يخلق المزيد من الضغط على الوعاء الموجود فيه.
- نظرًا لوجود علاقة مباشرة بين حالة الغاز ودرجة الحرارة والضغط مع الحجم الثابت، فعندما تزداد درجة حرارة الغاز يزداد الضغط، وعلى العكس عندما تنخفض درجة الحرارة ينخفض الضغط. في حالة انخفاض درجة الحرارة هناك انخفاض في نسبة التصادم بين الجسيمات وبالتالي ينخفض ضغط الغاز.
- في حالة عدم ثبات الحجم، سيكون هناك مجال للجسيمات للتحرك بسرعة، مما يؤدي إلى ابتعادها عن بعضها البعض، وبالتالي فإن المسافات بينها ستكون أكبر وتؤدي إلى مساحة أكبر ويزداد حجمها.
- لذلك نصف العلاقة بين حجم الغاز وتعرضه للحرارة بعلاقة مباشرة، حيث يزداد حجمه بالتعرض للحرارة، وعندما تنخفض درجة الحرارة تنخفض طاقة الجزيئات، فتكون المسافات بينها أقل، وبالتالي يحدث انخفاض في حجم الغاز.
ثالثًا، تأثير الحرارة على المواد السائلة
- يحدث التمدد لمعظم السوائل عندما تتعرض للحرارة وتتقلص عند انخفاض درجة الحرارة التي تتعرض لها، وهناك بعض أجهزة القياس التي تم اختراعها لقياس درجة حرارة السوائل، فلا يمكن الاعتماد فقط على حاسة اللمس لتقدير درجة الحرارة.
- من الأمثلة على الأجهزة التي تستخدم السوائل لقياس درجة الحرارة مقياس الحرارة، الذي تستند فكرته إلى وجود الكحول أو الزئبق، والذي يتقلص عند التعرض للبرد ويتوسع عند التعرض للحرارة.
- حيث أنه عند قياس درجة حرارة الجسم، يجب تطهير مقياس الحرارة بوضعه في الكحول ثم رجّه جيدًا حتى يعود الزئبق المستخدم في ميزان الحرارة إلى خزانه وقياس درجة الحرارة الموضوعة تحت اللسان.
إلى هنا وصلنا إلى نهاية موضوعنا حول ما يحدث لمعظم المواد عند تسخينها، ونأمل أن ننجح في تقديم المعلومات للإجابة على الأسئلة التي تدور في أذهانكم حول هذا الموضوع.