تغيّرات حالة المادة

يمكن للمادة أن تتغيّر من حالة إلى أخرى عند اكتسابها طاقة حرارية أو فقدانها. ويعرف هذا التغيّر بتغيّر الحالة.

الانصهار: يكتسب الجليد طاقة حرارية، وترتفع درجة حرارته. وعند نقطة معيّنة تتوقف درجة الحرارة عن الارتفاع، مع أن الجليد ما زال يكتسب الطاقة الحرارية، ويبدأ في الانصهار، فيتحوّل إلى الماء السائل.

لا تنصهر المركبات غير البلورية -ومنها المطاط والزجاج- بالطريقة نفسها التي تنصهر بها المركبات البلورية؛ لأنها لا تمتلك تركيبًا بلوريًّا ليتحطم. كما أن هذه المركبات تصبح أكثر ليونة عند تسخينها؛ فالزجاج يبدأ في الليونة تدريجيًّا عند تسخينه بدلًا من انصهاره وتحوّله إلى سائل، ويستخدم صانعو الزجاجيات هذه الميزة في تشكيل الزجاج.

ويحدث في سوائل المواد التي تكوّن بلورية في الحالة الصلبة. فعند تبريد السائل يفقد جزءًا من طاقته الحرارية، لذا تتباطأ جسيماته وتصبح أكثر قربًا بعضها إلى بعض، فتزداد قوى التماسك بين هذه الجسيمات، ويبدأ تشكّل بلورات المادة الصلبة.

• يطلق على درجة الحرارة التي تتغيّر عندها حالة المادة من السائلة إلى الصلبة درجة التجمد.
• درجة حرارة انصهار المادة الصلبة هي درجة التجمد نفسها؛ فدرجة حرارة انصهار الجليد هي نفسها درجة تجمد الماء السائل، وهي صفر °س.
• تبقى درجة حرارة المادة ثابتة خلال عملية التجمد. ولأن لجسيمات المادة في الحالة السائلة طاقة أكبر منها في الحالة الصلبة، فإنها تقوم بإطلاق الطاقة للوسط المحيط، وبعد تحوّل المادة إلى الصلابة تبدأ درجة الحرارة في الانخفاض ثانية.

تلاحظ بعد هطول المطر تكوّن تجمعات من الماء على سطح الأرض، لكنها لا تلبث أن تختفي بعد أيام. أين ذهب الماء؟ لقد تحوّل الماء في هذه التجمعات إلى بخار.

هناك نوعان من التبخر:

1. الغليان: ترتفع درجة حرارة الماء عند تسخينه حتى تصل إلى 100 °س، فيبدأ الماء السائل بعدها في التحوّل إلى غاز. وفيه يحدث التبخر من أجزاء السائل كله؛ إذ تتكوّن الفقاقيع، وتصعد إلى السطح. وتثبت درجة حرارة السائل خلال غليانه حتى يتحوّل السائل جميعه إلى بخار. ويطلق على درجة الحرارة هذه درجة الغليان.
2. التبخر من السطح: يحدث باستمرار على سطح السائل دون الحاجة إلى وصول السائل درجة الغليان. وتختلف جزيئات السائل في طاقاتها الحركية، والجزيئات السريعة الحركة تتغلّب على قوة التجاذب بينها، وتستطيع الإفلات من سطح السائل بسبب طاقتها الحركية.

موقع الجزيئات: تحتاج الجزيئات إلى أكثر من السرعة لتفلت من الحالة السائلة؛ إذ يجب أن تكون هذه الجزيئات قريبة من سطح السائل، وتتحرك في الاتجاه الصحيح. وبتبخر الجزيئات الأسرع من سطح السائل تبقى الجزيئات الأبطأ والأبرد. فالتبخر يبرّد السائل والحيز المحيط به؛ ولهذا نشعر بالبرودة بتبخر العرق من الجسم.

عندما تصب في يوم دافئ عصيرًا باردًا في كأس وتتركه مدة معيّنة تتكوّن قطرات من الماء على سطح الكأس من الخارج. ما الذي يحدث؟

عندما يبرد بخار الماء الموجود في الهواء المحيط بالكأس تقل سرعة جسيماته، ويقترب بعضها من بعض شيئًا فشيئًا، وعندما تصل إلى الحد الكافي للتماسك فيما بينها تتكوّن قطرات من السائل.

• تُسمّى درجة الحرارة التي يتم عندها ذلك درجة التكاثف، وهي تساوي درجة غليان الماء نفسها.
• عندما يتكاثف بخار الماء تنبعث الطاقة الحرارية التي سبق أن اكتسبها عند تحوّله إلى بخار، وتثبت درجة الحرارة خلال التكاثف أيضًا.
• يتكاثف بخار الماء الموجود في الجو بالكيفية نفسها مكوّنًا قطرات من الماء في صورة غيوم. وعندما تتجمع القطرات وتكبر على نحو كافٍ تسقط على هيئة مطر.

يمكن أن تتحوّل بعض المواد من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية مباشرة.

ويحدث نتيجة اكتساب جسيمات سطح المادة الصلبة طاقة كافية لتصبح غازًا. فالجليد الجاف من المواد التي لها خاصية التسامي. الجليد الجاف هو ثاني أكسيد الكربون الصلب، ويستعمل في حفظ بعض المواد باردة وجافة. لا يتغيّر الجليد الجاف في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي العادي إلى الحالة السائلة، بل يتحوّل مباشرة إلى الحالة الغازية؛ حيث يمتص الطاقة من بخار الماء الموجود في الهواء، فيبرد بخار الماء ويتكاثف مشكّلًا الضباب الذي تراه.