تعرفوا معنا على#حالات_ المادة_ الخمسة ..وعمليات التحول من حالة إلى اخرى.- مشاركة الدكتور: حازم فلاح سكيك..

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

تدرس الفيزياء والكيمياء طبيعة وخواص المادة والطاقة. المادة هي مكون الكون الرئيسي والتي تشتمل على الذرات والجزيئيات والايونات التي تشكل كل المواد الفيزيائية التي نعرفها. المادة هي اي شيء يمتلك كتلة ويشغل حيز من الفراغ.

الطاقة هي القدرة على احداث تغير. فالطاقة لا تستحدث ولا تفنى، انها محفوظة وتتحول من شكل إلى اخر. طاقة الوضع Potential energy هي الطاقة المختزنة في الجسم بسبب موضعه – على سبيل المثال وعاء ماء على حافة جدار تمتلك طاقة وضع. اما طاقة الحركة Kinetic energy فهي الطاقة التي يمتلكها الجسم المتحرك. اي جسم او جسيم في حالة حركة يمتلك طاقة حركة تعتمد على كتله وسرعته. يمكن ان تتحول طاقة الحركة إلى اي شكل من اشكال الطاقة مثل الطاقة الكهربائية electrical energy او الطاقة الحرارية thermal energy. في هذا المقال سوف نتعرف على الحالات الخمسة للمادة وعمليات التحول من حالة إلى اخرى.

حالات المادة الخمسة

هناك خمسة حالات مختلفة للمادة هي المواد الصلبة solids والسائلة liquids والغازية gases والبلازما plasma وتكاثف بوز اينشتين Bose-Einstein condensates. الفروقات الاساسية في تركيب كل حالة من حالات المادة يكمن في كثافة الجسيمات.

(١) المواد الصلبة solids

في الحالة الصلبة تكون الجسيمات مكدسة بجانب بعضها البعض بحيث يصعب عليها ان تتحرك. تمتلك الجسيمات في الحالة الصلبة طاقة حركية صغيرة جدا. الالكترونات في كل ذرة في حالة حركة اما الذرات فهي تتحرك حركة اهتزازية صغيرة، لكنها في نهاية الامر تكون ثابتة في مواقعها. تمتلك المواد الصلبة شكل محدد وواضع ولا تأخذ شكل الوعاء الذي تحتويه، كما ان لها حجم ثابت. بسبب تكدس جسيمات المادة الصلبة فان تعرضها لضغط خارجي سوف يأثر عليها بدرجة صغيرة جدا.

(٢) المواد السائلة liquids

في الحالة السائلة تمتلك جسيمات المادة طاقة حركية اعلى بالمقارنة مع الحالة الصلبة. كما ان جسيمات المادة السائلة ليس لها ترتيب منتظم لكنها تبقى متقاربة من بعضها البعض وبالتالي فهي لها حجم محدد ايضا. السوائل مثل المواد الصلبة لا يمكن ضغطها بسهولة. كما ان الجسيمات في السوائل يمكنها ان تتحرك حول بعضها البعض ولهذا فان السوائل ليس لها شكل محدد. تغير السوائل شكلها حسب الوعاء الذي تحتويه. اي قوة تؤثر على السائل تننشر في جميع انحاء السائل ولذلك فان وضع جسم في السائل يجعل جسيماته تنزاح.

 مقدار قوة الطفو buoyant force إلى الاعلى تساوي وزن السائل المزاح بواسطة الجسم. عندما تساوي قوة الطفو قوة سحب الجاذبية لكتلة الجسم فان الجسم يطفو. هذا مبدأ الطفو الذي اكتشفه العالم اليوناني ارشميدس Archimedes.

تميل جسيمات السائل إلى ان تتماسك بواسطة قوى ربط ضعيفة مما يحد من حركتها بحرية كجسيمات الغاز. قوة الترابط تعمل على سحب الجسيمات نحو بعضها البعض لتشكل قطرة او سريان متصل.

مؤخرا في شهر ابريل ٢٠١٦ افاد مجموعة من العلماء عن وجود حالة غريبة للمادة، وهي حالة توقع العلماء بوجودها ولكنهم لم يروها من قبل. هذه الحالة للمادة يمكن ان نمسكها باليد على انها مادة صلبة، ولكن مع الاقتراب اكثر من المادة سوف نكتشف انها تمتلك خواص المواد السائلة. اطلق على هذه الحالة للمادة باسم السائل الدوراني الكمي  quantum spin liquid حيث تدخل الالكترونات في حالة رقص كمي تتفاعل مع بعضها البعض. في العادة عندما يتم تبريد المادة فان دوران هذه الالكترونات يميل إلى الترتيب مع بعضها البعض. لكن في حالة السائل الدوراني الكمي تتفاعل الالكترونات بحيث تؤثر على حالة دروان الالكترونات الاخرى ولا يمكن ان تصل إلى حالة الترتيب المنظم مهما كانت درجة التبريد. تسلك المادة كما لو ان الكتروناتها قد تفككت عن بعضه البعض.

(٣) الغازات gases

توجد مسافات كبيرة بين جسيمات الغاز كما وانها تمتلك طاقة حركية كبيرة. اذا لم يوجد حدود لجسيمات الغاز فانها سوف تنتشر إلى مالا نهاية اما اذا كانت محصورة فانها سوف تملء كامل الفراغ الذي توجد فيه. عندما يتعرض الغاز إلى ضغط بتقليل حجم الوعاء الذي تحتويه فان الفراغات بين الجسيمات تتناقص، وتزداد التصادمات بينها. اذا كان حجم الوعاء الذي يحتوي الجسيمات ثابتا فان ضغطه سوف يزداد مع زيادة درجة الحرارة. تمتلك جسيمات الغاز طاقة حركية كافية للتغلب على قوى الترابط بين الجسيمات والمسؤولة عن تماسك المواد الصلبة والسائلة ولهذا فان الغاز لا يمتلك حجم او شكل محدد.

(٤) البلازما plasma

البلازما هي حالة غير مستقرة للمادة وهي ربما غير شائعة على الارض لكنها تشكل معظم حالات المادة في الكون. تحتوي البلازما على جسيمات مشحونة وتمتلك طاقة حركية عالية. الغازات النبيلة مثل الهيليوم والنيون والكربتون والارجون والزينون والرادون تستخدم في الاغلب في اشارات الضوء باستخدام التيار الكهربي لتأيينها وتحويلها إلى حالة البلازما. يمكن اعتبار النجوم عبارة عن كرات ساخنة جدا من البلازما.

(٥) تكاثف بوز اينشتين Bose-Einstein condensates

مكنت التقنية المتطورة في العام 1995 العلماء من توليف حالة جديدة للمادة عرفت باسم تكاثف بوز اينشتين Bose-Einstein condensate وتختصر بـ BEC. وذلك باستخدام الليزر والمغناطيس. قام كلا من اريك كورنيل Eric Cornell وكارل وايمان Carl Weiman من تبريد عينة من الراديوم لدرجة حرارة قريبة من الصفر المطلق. عند درجة الحرارة المنخفضة جدا تصبح الحركة الجزيئية شبه متوقفة، وحيث انه لاي وجد انتقال للطاقة الحركية من ذرة إلى اخرى، تبدأ الذرات بالتجمع مع بعضها البعض. وعندها لا يكون هناك الالاف من الذرات المنفصلة عن بعضها لبعض بل ذرة فائقة super atom. تستخد حالة تكاثف بوز اينشتين لدراسة ميكانيكا الكم على المستوى الجاهري macroscopic level. يبدو ان الضوء يتباطئ عندما يمر بالقرب من حالة تكاثف بوز اينشتين مما يسمح بدراسة الخاصية المزدوجة للضوء. كما ان حالة تكاثف بوز اينشتين لها العديد من خواص المائع الفائق superfluid الذي يتدفق بدون احتكاك. كما ان هذه الحالة تستخدم كظروف محاكاة للثقوب السوداء black holes.

التحول من حالة إلى اخرى

تزويد المادة بالطاقة يتسبب في حدوث تغيرات فيزيائية – حيث تنتقل المادة من حالة إلى اخرى. على سبيل المثال، اضافة طاقة حرارية للماء يحوله إلى بخار. اخذ طاقة من المادة يتسبب ايضا في حدوث تغيرات فيزيائية كما يحدث في حالة تحول الماء إلى ثلج. كما ان التغيرات الفيزيائية تحدث بسبب الحركة والضغط.

(١) عملية الذوبان والتجمد melting and freezing

عند تسخين المادة الصلبة تزداد سرعة الحركة الاهتزازية لجسيماتها وتبدأ في الابتعاد عن بعضها البعض، وتبدأ المادة الصلبة عند لحظة معينة نطلق عليها نقطة الذوبان melting point تبدأ في التحول إلى الحالة السائلة. عند نقطة الذوبان تكون الحالة السائلة والصلبة لها في حالة اتزان. اذا استمر تزويد المادة بالطاقة الحرارية فان درجة الحرارة لا تتغير حتى يتم تحويل كامل المادة إلى سائل. تستخدم الطاقة الحرارية في عملية التحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. وبمجرد ان تصبح كامل المادة في الحالة السائلة تبدأ درجة الحرارة في الازدياد مرة اخرى.

تمتلك المركبات المختلفة نقاط ذوبان مختلفة، ولهذا فان نقطة الذوبان تكون مفيدة في التمييز بين المركبات. على سبيل المثال يمتلك السكروز sucrose نقطة ذوبان عند 186.1 درجة مئوية بينما الجلكوز glucose يمتلك نقطة ذوبان عند درجة حرارة 146 درجة مئوية. يتم فصل مخاليط المواد الصلبة مثل السبائك المعدنية عن طريق تسخينها ومن ثم فصل المادة المذابة منها عندما تصل إلى نقطة الذوبان.

نقطة التجمد freezing point هي درجة الحرارة التي عندها تتحول المادة السائلة إلى مادة صلبة مع التبريد، حيث تبطأ حركة الجسيمات. في الكثير من المواد تترتب الجسيمات في انماط هندسية دقيقة لتشكل بلورات. معظم المواد السائلة تنكمش بالتبريد. الا ان خاصية هامة للماء تجعله يتمدد عندما يتجمد ولهذا السبب يطفو الثلج على السطح. اذا لم يمتلك الماء هذا التصرف الشاذ فانه الحياة البحرية لن تكن ممكنة.

(٢) عملية التسامي sublimation

عندما تتحول المادة الصلبة إلى الحالة الغازية مباشرة دون المرور بالحالة السائلة فان هذه العملية تعرف باسم التسامي sublimation. تحدث عملية التسامي عندما تكون الطاقة الحركية للجسيمات اكبر من الضغط الجوي المحيط بالمادة. هذا يمكن ان يحدث عندما تزداد بسرعة درجة حرارة المادة بعد تجاوز نقطة الغليان في عملية تعرف باسم التبخر الفجائي flash vaporization. تستخدم عملية التجفيف بالتبريد freeze dried خاصية التسامي لتجفيف الملابس في صقس بارد للتخلص من الماء فيها. يعد الثلج الجاف dry ice، وهو الشكل الصلب من ثنائي أكسيد الكربون، من أكثر الأمثلة شيوعاً لعملية التسامي.

(٣) عملية التبخير vaporization

عملية التبخير هي تحول السائل إلى غاز، وتحدث عملية التبخر اما بواسطة التبخر evaporation او الغليان boiling.

حيث ان جسيمات السائل في حالة حركة مستمرة فانها تتصادم مع بعضها البعض بشكل متكرر، وهذا يعمل على تبادل الطاقة بينها. هذا التبادل له تأثير اجمالي ضعيف اسفل سطح المادة السائلة، ولكن عندما يكون هناك انتقال حراري كافي فان الجسيمات تمتلك طاقة كافية لتفلت من المادة السائلة وتصبح جسيم حر. تعرف هذه العملية باسم التبخير evaporation وتستمر عملية التبخر طالما وجد السائل. من الجدير ذكره ان السائل يبرد اثناء التبخير حيث ان الطاقة التي استهلكت في عملية التبخير قد حصلت عليها الجسيمات من السائل نفسه فتنخفض درجة حرارته، وهذا يفسر البرودة التي نحسها عند وضع عطر كحولي على الوجه واليدين.

عند اضافة حرارة كافية إلى السائل يحدث خروج فقاعات من جميع انحاء السائل وهنا نقول ان السائل في حالة غليان boiling. درجة الحرارة التي عندها تحدث عملية الغليان تعرف باسم نقطة الغليان boiling point وهي تعتمد على الضغط الذي يتعرض له السائل. عند تعريض السائل لضغط كبير فاننا نحتاج إلى طاقة حرارية اعلى للوصول إلى نقطة الغليان. عند ارتفاعات عالية عن سطح البحر حيث يكون الضغط الجوي اقل فان نقطة الغليان تصبح عند درجة حرارة اقل بالمقارنة مع السائل عند مستوى سطح البحر.

(٤) عملية التكثف والترسيب condensation and deposition

يحدث التكثف عندما يتحول الغاز إلى سائل، وهذا يحدث عندما تبريد الغاز او ضغطه ليصل إلى نقطة تكون فيه الطاقة الحرارية غير كافية للتغلب على قوى ترابط جسيمات المادة. عندما يتحول الغاز مباشرة إلى صلب بدون المرور في الحالة السائلة، فاننا نطلق على هذه العملية اسم ترسيب deposition او عكس التسامي desublimation. مثال على هذا يحدث عندما يتحول بخار الماء في الجو إلى ثلج مباشرة في صورة نسميها الصقيع frost. ويحدث الصقيع عندما يلامس الهواء الجاف اسطح صلبة باردة في ليلة باردة.