وحدة المواد الصلبة والسائلة والغازية علوم الصف التاسع
المادة والطاقة الحرارية
قد توجد المادة في حالة صلبة أو سائلة أو غازية أو بلازمية.
الربط مع الحياة اليومية يمكن أن يكون الماء مشروبا باردا منعشا أو سطحا صلبا للتزحلق عليه أو غازا ساخنا خطيرا. فسلوك الماء يعتمد على حالته.
نظرية الحركة الجزيئية
تلاحظ المواد الصلبة والسائلة والغازية في كل يوم. انظر إلى الشكل 1. هل يمكنك تحديد حالات المادة الواردة؟ الشاي هو في الحالة السائلة. ومكعبات الثلج التي جرى وضعها في الشاي لتبريده هي فى الحالة الصلبة. ويحيط بالكوب ماء في الحالة الغازية. كجزء من الهواء. ما أوجه الاختلاف بين تلك الحالات؟
الحالة الغازية لفهم حالات المادة. يجب علينا التفكير في الجسيمات التي تكون المادة. فكر في الهواء المحيط بك، إنه يتكون من النيتروجين والأكسجين وبخار الماء. بالإضافة إلى غازات أخرى. وتكون تلك الذرات والجزيئات.
وهى الجسيمات التي تكون الهواء، في حالة حركة مستمرة. نظرية الحركة الجزيئية هي تفسير لسلوك الجسيمات الموجودة في الغازات. لشرح سلوك الجسيمات. من الضروري وضع بعض الافتراضات الأساسية. في ما يلي افتراضات النظرية؛
1. تتكون المادة من جسيمات دقيقة (ذرات وجزيئات وأيونات .
2. تكون تلك الجسيمات في حالة حركة مستمرة عشوائية.
3. تصطدم الجسيمات بعضها ببعض وبجدران أي وعاء توضع فيه.
4. إن كمية الطاقة التي تفقدها الجسيمات نتيجة لتلك التصادمات قليلة جدا.
يوضح الشكل 2 الجسيمات التي تكون المادة في الحالة الغازية. ليس للغازات حجم أو شكل ثابتان لأن جسيماتها تكون في حالة حركة مستمرة. متصادمة بعضها مع بعض ومع جدران أوعيتها. بدلا من ذلك. فإن الجسيمات
التي تكون أي غاز تنتشر لتملأ أي وعاء توجد فيه.
الحالة السائلة على الرغم من أن النظرية تفسر سلوك جسيمات الغاز. إلا أن بعض افتراضانها تتطبق على المواد السائلة والصلبة أيضا. تكون جسيمات المادة في الحالة السائلة. النبيتة في الشكل 2. أيضا في حالة حركة مستمرة. على الرغم من كونيا لا نتحرك بالسرعة نفسيا التي كانت ستتحرك بها إذا كانت المادة في الحالة الغازية لذلك. إن الجسيمات التي تكون مادة ما في حالة سائلة لها طاقة حركية أقل من الطاقة الحركية للمادة تمسها عندما تكون فى الحالة الغازية.
بما أن طاقة الجسيمات أقل. فإن قدرتها على التغلب على قوى التجاذب التي تربطها معا أقل. لذا يمكن للجسيمات أن تنزلق بمحاذاة بعضها البعض. سامحة للسائل بالانسياب وأخذ شكل الوعاء الموجود فيه. غير أن الجسيمات التي تكون السائل تتماسك مع بعضها. لأنها لم تتغلب تماما على قوى التجاذب بيئيا، مما يمنح السائل حجما محددا.
الحالة الصلبة بعكس الغاز أو السائل. فإن المادة الصلبة لها شكل وحجم محددان. تكون الجسيمات الني تكون المادة الصلبة متقاربة من بعضها بإحكام. كما هو مبين في الشكل 2. لا تزال تلك الجسيمات في حالة حركة. إلا أن لها طاقة حركية ضئيلة جدا لدرجة أن الجسيمات لا تهدر على التغلب على قوى التجاذب التي تربطها معا. يكون الكثير من المواد الصلبة بلورية. مما يعني أن لجسيماتها ترتيبات هندسية معينة. يبين الشكل 3 الترتيب الهندسي للثلج. لاحظ أن ذرات الهيدروجين والأكسجين تتناوب في الترتيب.
الطاقة الحرارية فكر في الثلج المبين في الشكل 3. كيف يمكن أن يكون للثلج المتجمد حركة؟ تبقى الجسيمات التي تكون المواد الصلبة في أماكنها بإحكام بواسطة قوى التجاذب بينها فتمنع قوى التجاذب تلك المواد الصلبة شكلا وحجما محددين. ومع ذلك. تبقى الجسيمات التي تكون المادة الصلبة في حالة حركة مستمرة. إذ تسبب الطافة الحرارية اهتزاز الجسيمات.
إن الطافة الحرارية هي الطاقة الإجمالية لجسيمات مادة ما. يتضمن ذلك الطاقة الحركية للجسيمات بالإضافة إلى طاقة الوضع الخاصة بها. ويعتبر كل من الطاقة الناتجة عن حركة الجسيمات المنفردة والطاقة الناتجة عن القوى التى تعمل داخل الجسيمات أو بينها من أشكال الطاقة الحرارية. بينما لا تعتبر
الطاقة الناتجة عن حركة الجسم ككل ولا الطاقة الناتجة عن تفاعل الجسم مع ما يحيط به طاقة حرارية.
درجة الحرارة درجة الحرارة هي المصطلح المستخدم للتعبير عن مدى سخونة أو برودة جسم ما. تمثل درجة الحرارة معدل الطاقة الحركية للجسيمات التي تتألف منها المادة. وفي المتوسط. يكون لجزيئات الماء عند
درجة حرارة O'C طاقة حركية أقل من جزيئات الماء عند درجة حرارة
تغيرات الحالة
ما الذي يحدث لمادة صلبة عند إضافة طاقة حرارية إليها فكر في الثلج المبين في الشكل 4. تتحرك الجسيمات التي تكون الماء بسرعة وتتصادم مع الجسيمات التي تكون مكعب الثلج. تنقل تلك التصادمات الطاقة من الماء إلى مكعب الثلج. تهتز الجسبمات الموجودة عند سطح مكعب الثلج بشكل أسرع. ناقلة الطاقة إلى جسيمات أخرى موجودة في مكعب الثلج.
الانصهار والتجمد سرعان ما تكتسب الجسيمات التي تكون مكعب الثلج طاقة حركية كافية للتغلب على قوى التجاذب التي نبقيها في تركيبها البلوري. وينصهر الثلج. إن درجة الانصهار هي درجة الحرارة التي تتحول
عندها المادة الصلبة إلى مادة سائلة. من الضروري وجود طاقة لتتحرر الجسيمات من الترتيب المظم للمادة الصلبة أما حرارة الانصهار. فهي الطاقة اللازمة لتحويل مادة ما من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة عند درجة انصهارها.
انتقال الطاقة بين جسيمات المادة السائلة والمادة الصلبة انصهار الثلج، ولكن ما الذي يحدث لجسيمات المادة السائلة عندما تتصادم مع المادة الصلبة؟ تباطؤ حركة جسيمات المادة السائلة لأن لها طاقة حركية أقل.
وعندما يحدث المزيد من تلك التصادمات، يقل متوسط الطاقة الحركية لجسيمات المادة السائلة فتبرد.
التجمد هو عكس الانصهار. فعند انخفاض درجة حرارة مادة سائلة. يقل متوسط الطاقة الحركية للجسيمات. وعند إزالة قدر كاف من الطاقة، تصبح الجسيماثتثابتة في مواقعها إن درجة التجمد هي درجة الحرارة التي تتحول
عندها المادة السائلة إلى مادة صلبة.
التبخير والتكاثف كبف يصبح السائل غازا؟ تذكر أن الجسيمات التي تكون السائل تكون في حالة حركة دائمة. وعندما تتحرك الجسيمات بالسرعة الكافية للهروب من فوى جذب جسيمات أخرى. تدخل إلى الحالة الغازية.
تسمى هذه العملية بالتبخير. يمكن أن يحدث التبخير بطريقتين، التبخر والغليان. وتسمى العملية التي يتحول فيها الغاز إلى سائل بالتكاثف التكاثف هو عكس التبخير.
التبخر يحدث التبخر عند سطح السائل ويمكن أن يحدث عند أي درجةحرارة تقريبا. ولكي تتبخر الجسيمات. يجب أن تكون عند سطح السائل وأن يكون لها طاقة حركية كافية للتحرر من قوى جذب السائل.
الغليان إن الغليان المبين في الشكل 5 هو الطريقة الثانية التي يمكن أن يتبخر بها السائل. على عكس التبخر. يحدث الغليان للسائل عند درجة حرارة معينة، اعتمادا على الضغط الموجود عند سطح السائل.
إن درجة غليان السائل هي درجة الحرارة التي بتساوى عندها ضغط بخار السائل مع الضغط الخارجي المؤئر على سطح السائل بدفع الضغط الخارجي السائل نحو الأسفل. مانعا الجسيمات من التحور. تحتاج الجسيمات إلى طاقة للتغلب على هذا الضغط. إن حرارة التبخير هي كمية الطاقة التي يحتاج إليها السائل عند درجة غليانه ليصبح غازا.
التسامي عند مستويات معينة من الضغط. يمكن لبعض المواد التحول بشكل مباشر من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية من دون المرور بمرحلة الحالة السائلة. إن التسامي هو عملية تحول مادة صلبة إلى مادة غازية من
دون تكوين مادة سائلة. يبين الشكل 6 ثاني أكسيد الكربون الصلب. الذي يعرف أيضا بالثلج الجاف، وهو مادة شائعة تخضع للتسامي.