تعريف أطوار المادة المختلفة
2013 الرمل والسيليكون
دنيس ماكوان
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
ولتقصي هذه المبادئ، لنعتبر مادتين شائعتين من الحياة اليومية – الماء والأسيتون، وحسب درجة الحرارة والضغط، يمكن أن توجد هاتان المادتان كجسم صلب أو كسائل أو كغاز، وهذا ما يسمى أطوار المادة المختلفة.
والطور هو جزء متجانس ومتميز من نظام يفصل بينه وبين الأجزاء الأخرى سطوح حدودية محددة. يعتبر الانصهار تحولاً طورياً من الطور الصلب إلى الطور السائل ويعتبر الغليان تحولاً طورياً من الطور السائل إلى الطور الغازي أو طور البخار.
وتحكم قوانين الثرموديناميك كيف تتعلق هذه الأنواع المختلفة من التحولات الطورية بدرجة الحرارة والضغط والتركيب الكيميائي.
كيف تتغير درجة الحرارة التي يحصل عندها تحول طوري مع تغيرات الضغط؟
عند مستوى سطح البحر، يغلي الماء والأسيتون عند درجة الحرارة 100°م و 56.5°م على التوالي. فما هي درجة الحرارة التي يغلي عندها كل منهما على قمة جبل إيفرست؟ عندما نفهم العلاقة بين درجة حرارة الغليان والضغط للماء والأسيتون، يمكننا حينها السؤال عما يحصل عندما يكون لدينا مزيج من الماء والأسيتون. إن هذا يكشف بدوره مبدأ التقطير المجزأ الذي يمكن استعماله لفصل الأسيتون عن الماء أو لتنقية ثلاثي كلور السيلان.
يبين الشكل 5.3 ثلاث أسطوانات ويوضح التحول من الطور السائل إلى طور البخار بدلالة الضغط عند درجة حرارة ثابتة..jpg)
على اليسار، يملأ سائل أسطوانة مغلقة بواسطة مكبس متحرك يُطبِّق ضغطاً على السائل، وعندما يتناقص الضغط على المكبس، يبلغ الضغط قيمة يسمى عندها ضغط البخار حيث يتواجد معاً السائل والبخار كما يتبين في الأسطوانة الوسطى.
ويتزايد الحجم مع تحول السائل إلى طور البخار لأن حجم وحدة كتلة البخار أكبر بكثير منه في الطور السائل. ينتج عن ذلك استمرار حركة المكبس في الأسطوانة إلى الأعلى بفعل الضغط المطبق المساوي لضغط البخار حتى يتحول كل السائل إلى بخار. ويتسبب تناقص أكثر للضغط بتمدد البخار (الغاز) وتناقص كثافته (الأسطوانة اليمنى).
يمكن عكس العملية وزيادة الضغط وتقدم المكبس داخل الأسطوانة وضغط الغاز. ومرة ثانية، عندما يساوي الضغط الخارجي ضغط البخار، يتحول طور البخار إلى الطور السائل ويهبط المكبس حتى يتحول كل الغاز (البخار) إلى سائل، وعند ذلك، يؤدي التطبيق الإضافي للضغط إلى ضغط السائل.
يُعنى علم الثرموديناميك بالعلاقة بين العمل والحرارة، وفي المثال أعلاه، يُطبق عمل ميكانيكي على النظام مع سحب أو دفع المكبس. ومن أجل غليان السائل أو تكثيف البخار، يجب تقديم أو انتزاع الحرارة من أجل المحافظة على درجة حرارة ثابتة، ويتطلب القانون الأول في الثرموديناميك (الصندوق 1.3) أن يساوي العمل الميكانيكي المطبق بواسطة المكبس المتحرك كمية الحرارة المارة إلى السائل. وفي كل حالة، يتحول العمل الميكانيكي إلى حرارة.
يعنى القانون الثاني في الثرموديناميك بالتحول المعاكس- أي استعمال الحرارة لتوليد العمل الميكانيكي، وفي المثال السابق، وُضع نظام الماء والأسطوانة والمحيط (المسمى عادة بالمخزن) في درجة حرارة ثابتة وينفذ العمل الميكانيكي بتحريك المكبس الذي يؤدي إلى انتقال حرارة.
من أجل استعمال الحرارة لتوليد العمل الميكانيكي، يجب انتقال الحرارة من المخزن إلى الماء، وإذا كان الاثنان عند نفس درجة الحرارة، فليس هناك من سبب لانتقال تلقائي للحرارة من المخزن لأن ذلك قد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة الماء.
يتشابه ذلك مع جريان الماء في نهر، فالماء يجري نحو المنحدر وليس نحو المرتفع. ويتطلب الأمر وجود قوة محركة على شكل فرق درجة حرارة بين المخزن والماء.
وعند ذلك، تتدفق الحرارة من المخزن ذي درجة الحرارة العالية إلى الماء ذي درجة الحرارة المنخفضة، وهذا ما يتسبب في غليان الماء، وبدوره، توليد العمل.
[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]