منحنى التسخين وتغيّر حالة الماء
يفسّر تغيّر حالة الماء من صلب إلى سائل إلى غاز بتغيّر حركة جزيئاته وقوى الترابط بينها، ويربط ثبات درجة الحرارة أثناء الانصهار والغليان بالحرارة الكامنة.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: حالات المادة — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٤): منحنى التسخين (الحرارة الكامنة للانصهار والتصعيد) — ص ٩٤
خطوات التجربة
افتح شاشة «الحالات»، واختر «الماء»، ثم اضغط «صلب». لاحظ ترتيب الجزيئات واهتزازها حول مواضعها، وسجّل قراءة «درجة الحرارة» بالـ K.
اسحب ذراع التسخين (المكتوب عليه Heat) إلى أعلى وأبقه عند الموضع نفسه، وسجّل درجة الحرارة على فترات زمنية متساوية في جدول كجدول النشاط (4).
راقب الجزيئات: سجّل درجة الحرارة التي تبدأ عندها بالتحرر من الشبكة وانزلاق بعضها فوق بعض، أي بداية الانصهار.
تابع التسخين بالمقدار نفسه، وسجّل درجة الحرارة التي تبدأ عندها الجزيئات بالانفصال والانتشار في الوعاء كله، أي الغليان.
ارسم درجة الحرارة مقابل الزمن من جدولك، وحدّد فترتي تغيّر الحالة عليه.
افتح شاشة «تغيرات الحالة»، واختر «الماء»، وافتح «منحنى الحالة». سخّن العيّنة ببطء وتابع النقطة على المنحنى وهي تنتقل بين مناطق «صلب» و«سائل» و«غاز».
الفكرة العلمية
حالة المادة حصيلة توازن بين قوى الترابط التي تشدّ الجزيئات بعضها إلى بعض وطاقة حركتها التي تفرّقها. في الحالة الصلبة تهتز الجزيئات حول مواضع ثابتة، وبالتسخين تزداد طاقة حركتها فترتفع درجة الحرارة. وعند درجة الانصهار تُصرف الحرارة المضافة في التغلب على قوى الترابط وزيادة الأبعاد بين الجزيئات لا في رفع درجة الحرارة، فتثبت قراءة الميزان حتى ينصهر الجليد كله، ثم يتكرر ذلك عند درجة الغليان. وكمية الحرارة اللازمة لذلك تُحسب من كح = ك × ح انصهار للانصهار، وكح = ك × ح تصعيد للتصعيد، والحرارة الكامنة للتصعيد للماء أكبر بكثير من الحرارة الكامنة لانصهاره. والمحاكاة نموذج لعدد قليل من الجزيئات، فقد لا يظهر فيها ثبات القراءة تامًا كما في الكأس الحقيقية، لكنها تُظهر ما لا يُرى في المختبر: تحرر الجزيئات أثناء تغيّر الحالة.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
في نشاط منحنى التسخين تبقى قراءة ميزان الحرارة ثابتة أثناء انصهار الجليد رغم استمرار التسخين. أين تذهب الحرارة المضافة؟
- تتسرّب كلها إلى الهواء المحيط
- تُصرف في التغلب على قوى الترابط بين الجزيئات
- تُخزَّن في ميزان الحرارة
- لا يمتص الجليد حرارة أثناء الانصهار
اعرض الإجابة
ب) تُصرف في التغلب على قوى الترابط بين الجزيئات
درجة الحرارة مؤشر لمعدل طاقة حركة الجزيئات، وأثناء الانصهار تذهب الحرارة إلى فك الترابط وزيادة الأبعاد بين الجزيئات، وهي الحرارة الكامنة للانصهار. ومن ظن أن الجليد توقف عن الامتصاص تجاهل أن الانصهار نفسه يحتاج حرارة.
كيف تتحرك جزيئات الماء في المحاكاة بعد الضغط على «صلب»؟
- ساكنة تمامًا بلا أي حركة
- تتحرك بحرية في الوعاء كله
- تنزلق بعضها فوق بعض
- تهتز حول مواضع ثابتة في ترتيب منتظم
اعرض الإجابة
د) تهتز حول مواضع ثابتة في ترتيب منتظم
جزيئات الصلب مرتبطة بقوى ترابط قوية تحفظ مواضعها، لكنها تهتز حولها ولا تسكن. والاعتقاد بأن جزيئات الصلب ساكنة خطأ شائع، فالسكون التام لا يحدث إلا عند الصفر المطلق. والانزلاق صفة السائل، والحركة الحرة صفة الغاز.
أيهما يحتاج كمية حرارة أكبر: انصهار 1 kg من الجليد عند 0 °C أم تصعيد 1 kg من الماء عند 100 °C؟
- تصعيد الماء
- انصهار الجليد
- متساويان لأن الكتلة واحدة
- انصهار الجليد لأن الجليد صلب
اعرض الإجابة
أ) تصعيد الماء
الحرارة الكامنة للتصعيد للماء (نحو 2.26 × 10⁶ J/kg) أكبر بكثير من الحرارة الكامنة لانصهار الجليد (نحو 3.33 × 10⁵ J/kg)، لأن التصعيد يفصل الجزيئات بعضها عن بعض تمامًا، أما الانصهار فيحررها جزئيًا. وتساوي الكتلة لا يعني تساوي الحرارة الكامنة.
لماذا نشعر ببرودة شديدة بعد تساقط الثلج وبدء انصهاره؟
اعرض الإجابة
لأن الثلج يحتاج إلى الحرارة الكامنة للانصهار كي يتحول إلى ماء، فيمتصها من الهواء والأجسام المحيطة به، فتنخفض حرارتها ونشعر بالبرودة. ويحدث العكس عند تكوّن الغيوم، إذ يطلق بخار الماء حرارته الكامنة عند تكاثفه فنشعر بالدفء.
رسمت منحنى التسخين فوجدت فيه خطين أفقيين. ماذا يمثّل كل منهما؟ وأيهما أطول لو سُخّن الماء بمعدل ثابت؟
اعرض الإجابة
الخط الأفقي الأول يمثّل الانصهار عند 0 °C، والثاني يمثّل الغليان عند 100 °C، وفيهما تثبت درجة الحرارة لأن الحرارة تُصرف في تغيير الحالة. والخط الثاني أطول لأن الحرارة الكامنة للتصعيد أكبر بكثير من الحرارة الكامنة للانصهار، فيحتاج زمنًا أطول عند المعدل نفسه.