بحث عن درجة الانصهار ودرجة الغليان

فهم درجة الحرارة: أساس قياس السخونة والبرودة

يشير مفهوم درجة الحرارة إلى مقياس سخونة أو برودة الجسم، ويمكن التعبير عنها باستخدام مقاييس متنوعة. كما أنه يمكن تحديد اتجاه انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام، حيث تنتقل الحرارة من الجسم الأكثر سخونة (أعلى درجة حرارة) إلى الجسم الأبرد (أقل درجة حرارة). من المهم ملاحظة أن درجة الحرارة تختلف عن الطاقة الديناميكية الحرارية للنظام. فعلى سبيل المثال، عود ثقاب مشتعل يحمل درجة حرارة أعلى من جبل جليدي، رغم أن الطاقة الحرارية الكلية الموجودة في جبل الجليد أكبر بكثير من تلك الموجودة في عود الثقاب. تُعتبر درجة الحرارة خاصية شمولية مثل الكثافة والضغط، وتتميز باستقلالها عن كمية المادة، بينما تُعتبر الخصائص مثل الكتلة والحجم من الخصائص المميزة للمادة.

تحول الحالة: فهم عملية الانصهار

تُعرف درجة انصهار المادة بكونها درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة من حالتها الصلبة إلى الحالة السائلة. تُعتبر درجة الانصهار من الخصائص المميزة للمادة ويمكن استخدامها لتحديدها. تُعتبر المواد البلورية الصلبة النقية فئة مميزة، حيث تنصهر عند درجات حرارة مختلفة تحت ظروف الضغط الجوي القياسي.

عند تعريض مادة صلبة معينة للحرارة بشكل منتظم وبكمية كافية، تزداد درجة حرارتها بشكل ثابت حتى تصل إلى نقطة حدوث التميّع. بعد الوصول إلى هذه النقطة، يتوقف ارتفاع درجة حرارة المادة، ولا يحدث أي تغيير في درجة الحرارة حتى تتحول المادة إلى الحالة السائلة. ذلك لأن الحرارة المطبقة على المادة تُستهلك في تغيير حالتها من الصلبة إلى السائلة، ولا يتوفر أي منها لرفع درجة الحرارة في المناطق التي حدث فيها التميّع، حتى تتحول جميع أجزاء المادة إلى سائل. بعد انتهاء عملية التميّع، سترتفع حرارة المادة مجدداً.

الحرارة الكامنة للانصهار: الطاقة اللازمة للتغيّر

تُعرف كمية الحرارة المطلوبة لتحويل غرام واحد من المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة باسم الحرارة الكامنة للانصهار. تختلف قيمة هذه الحرارة من مادة إلى أخرى. فعلى سبيل المثال، يحتاج الثلج إلى 80 سعرة حرارية تقريباً لتحويل غرام واحد منه إلى الماء ووصوله إلى نقطة الانصهار. تُستخدم هذه الخاصية في الثلاجات نظراً لارتفاع الحرارة الكامنة للانصهار الخاصة بالثلج. تُعتبر عملية التجمّد هي العملية العكسية للانصهار، حيث تتغيّر حالة المادة من السائلة إلى الصلبة. تُنبعث الحرارة من المادة خلال حدوث التحوّل، وتساوي كمية الحرارة المنبعثة من المادة أثناء التجمّد بالكمية التي تمتصها المادة للوصول إلى نقطة الانصهار.

غليان السائل: تحول السائل إلى بخار

يُعرف مفهوم درجة غليان المادة بكونه درجة الحرارة التي تتساوى عندها قيمة الضغط المؤثّرة في السائل من المحيط مع قيمة الضغط الناتجة من بخار السائل. في هذه الحالة، بالإضافة للحرارة الناتجة، يتحول السائل إلى بخار دون الحاجة لرفع درجة حرارته.

يتبخر السائل بشكل جزئي على الفراغ الواقع فوقه عند أي درجة حرارة، حتى تصل قيمة الضغط المؤثّرة من البخار إلى قيمة معينة تُسمى ضغط تبخّر السائل. تزداد قيمة ضغط البخار عند ازدياد درجة الحرارة. عند وصول السائل إلى درجة الغليان، تتكون فقاعات البخار في السائل وترتفع إلى السطح.

تختلف نقطة الغليان في السوائل نسبةً لاختلاف قيمة الضغط المطبقة عليه. تُعتبر درجة غليان السائل الطبيعية عند درجة الحرارة التي يتساوى فيها ضغط البخار مع الضغط الجوي القياسي عند سطح البحر، والذي يقع على ارتفاع 760مم من عمود الزئبق المُستخدم لقياس قيمة الضغط الجوي. فيغلي الماء عند مستوى سطح البحر على درجة حرارة 100 درجة مئوية، أو 212 فهرنهايت. وتنخفض قيمة درجة الحرارة التي يحتاجها السائل للوصول إلى درجة الغليان كلما زاد الارتفاع.

ارتفاع نقطة الغليان: تأثير المواد المذابة

يُعتبر ارتفاع نقطة الغليان خاصية تجميعية للمادة، مثل انخفاض نقطة التجمّد. تحدث هذه الظاهرة عندما تصبح درجة غليان المحلول أعلى من درجة غليان المذيب النقي. ترتفع درجة حرارة غليان المذيب نتيجةً لإضافة مادة مذابة غير متطايرة. يمكن ملاحظة ارتفاع درجة غليان السائل عند إضافة الملح إلى الماء، فإن إضافة الملح يرفع من درجة غليان الماء.

يعتمد ارتفاع نقطة الغليان على عدد الجزيئات الموجودة في المذيب وليس على نوع الجزيئات وكتلتها. لذلك فإن زيادة تركيز الجزيئات في المذيب يرفع درجة حرارة غليانه.

كيفية ارتفاع نقطة الغليان: تأثير جزيئات المذاب

ترتفع درجة غليان المادة بسبب بقاء غالبية جزيئات المذاب في الحالة السائلة بدلاً من التحوّل إلى الحالة الغازيّة. يجب أن ترتفع قيمة ضغط البخار عن قيمة الضغط الطبيعية لكي يغلي السائل. يُعتبر هذا أمراً صعباً بسبب إضافة مكوّنات غير متطايرة. ولا تشكل إضافة مركب كهرلي أو غير كهرلي فرقاً؛ حيث يحدث ارتفاع نقطة غليان الماء في حالة إضافة الملح (محلول كهرلي)، أو السكر (محلول غير كهرلي).

معادلة ارتفاع درجة الغليان: حساب التغيير

يمكن حساب كمية ارتفاع درجة الغليان عن طريق استخدام العلاقة في معادلة سلسيوس-كلابيرون وقانون راؤول. يمكن التعبير عن معادلة الخليط السائل المثالي كالآتي:

درجة الغليان الكليّة	=	درجة غليان المذيب	+	ΔTb

حيث يساوي ΔTb المولاليّة *Kb* i؛ حيث يُعبّر KB عن ثابت “ebullioscopic” وهو 0.52 درجة مئوية كيلوغرام/ لكل مول للماء، أمّا i فيعبّر عن عامل فانت هوف.

كما يمكن كتابة المعادلة أيضاً على الشكل التالي:

ΔT	=	Kbm

المراجع

• “Temperature”, www.britannica.com, 13-3-2018, Retrieved 31-1-2018. Edited.
• “Melting Point”, www.encyclopedia.com, Retrieved 31-1-2018. Edited.
• “Boiling point”, www.britannica.com, 20-2-2018, Retrieved 31-1-2018. Edited.
• Anne Marie Helmenstine (6-3-2017), “Boiling Point Elevation”, www.thoughtco.com, Retrieved 31-1-2018. Edited.