المادة وحالاتها
تتواجد المادة على أربع حالات ( وتسمى أشكال Forms) وتعتمد الحالة التي تتواجد عليها المادة على درجة حرارتها. فعلى سبيل المثال : الماء ( سائل ) إذا خفضنا درجة حرارته يتحول إلى ثلج( صلب ) وإذا رفعنا درجة حرارته يتحول إلى بخار الماء ( غاز ) وإذا واصلنا عملية رفع درجة حرارته يتحول إلى ( بلازما ) وهي الحالة الرابعة للمادة وتكون طاقتها عالية جداً. وفي دراستنا الحالية نقصر إهتمامنا على الحالات الثلاث الأولى ( الغازية, السائلة, والصلبة ) لأنها الحالات الشائعة على سطح الأرض أما الحالة الرابعة (البلازما) فلها موضع آخر عندما تقوم بدراسة الكون.
والجدول التالي يشكل مقارنة بين الحالات الثلاث :
الصلبة
الغازية
السائلة
المقارنة
قوية جداً
شبه معدومة
ضعيفة
قوى التجاذب بين الجزيئات
صغيرة جداً
كبيرة جداً
كبيرة
المسافة بين الجزيئات
محدد
متغير
ثابتة
الحجم
حسب الاستخدام
شكل الوعاء الذي يحويها
شكل الوعاء الذي يحويها
الشكل
تقاوم قوى الشد والقص والضغط
لا تقاوم قوى الشد والقص بل تقاوم قوى الضغط
1لا تقاوم قوى الشد و تقاوم قوى القص والضغط
الاستجابة لقوى الشد والقص والضغط
مما سبق يتضح أن السوائل والغازات تستجيب للقوى الخارجية في تغيير شكلها. وتكون المسافة بين جزيئاتها كبيرة مما يتيح لها حرية الحركة. ولذلك تسمى السوائل والغازات " المائع ".
أما الحالة الرابعة من المادة وهي " البلازما " وتتكون البلازما عبر مراحل تدريجية تتم بإرتفاع درجة الحرارة, حيث تتفكك جزيئات الغاز إلى ذرات في المرحلة الأولى. ثم يتبع ذلك في المرحلة الثانية تأيين لذرات الغازات نتيجة التصادمات التي تؤدي إلى إنطلاق الإلكترونات من المدارات الخارجية للذرات, وبذلك تتكون البلازما من خليط من الذرات المتعادلة والأيونات الموجبة والإلكترونات. والبلازما هي الحالة الشائعة للمادة في الكون حيث تشكل 99% من المادة. إلا أنها نادرة جداً على الأرض إلا في الحالات التي يقوم الإنسان بصنعها مثل " مصابيح الفلورنست ".
ما الفروق في الخواصّ الفيزيائيّة بين حالات المادّة الثلاث ؟
اننا متفقون بداية ان حالات المادة الثلاث مكونة من جزيئات
ولكن ما هي الإختلافات في الخواص الفيزيائية
الحالة الجامدة
الموادالصّلبة لها شكل ثابت حيث أن الجزيئات لا تنتقل من مكانها
الجزيئات متقاربة بقدر كبير في الحالة الجامدة
الكثافة في المواد الصلبة عالية,لأن الفراغات صغيرة جدًّا بين الجزيئات
الحالة السائلة
تأخذ السّوائل شكل الوعاء الذي توضع فيه ,و الجزيئات في السوائل ليست ثابّتة
السّوائل صعبة الضّغط , لأن جزيئات السائل لا تتقارب نتيجة الضغط
السّوائل عالية الكثافة إلى حدّ ما ,و ليس هناك مساحات كبيرة بين الجزيئات
الحالة الغازية
ليس للغازات شكل محدد لكن الغازات تملأ أيّ فراغ متاح لأن الجزيئات تتحرّك بسرعة في كلّ الاتّجاهات
يمكن ضغط الغازات بسهولة , ولجزيئات الغازات مساحات كبيرة فيما بينها , لذلك فإنه من السهل أن تتقارب جزيئات الغاز
كثافة الغازات منخفضة جدًّا , وهناك مساحات فارغة كبيرة بين الجزيئات
ما هي حالات المادة في الشكل التالي
الحالة الصلبة الحالة السائلة الحالة الغازية
ضغط الغاز
يمكن أن ينضغط الغاز بسبب المساحات الكبيرة بين الجزيئات فيه حيث تتقارب الجزيئات نتيجة ضغط المكبس
اما السوائل و الجوامد فلا يمكن أن تضغط لأن جزيئاتها متقاربه بشكل كبير
كيف يتغيّرحجم الغاز بالحرارة؟
عندما يتم تسخين الغاز فإن جزيئات الغاز تكتسب طاقة أكبر و بناءً عليه فإنها تتحرّك بشكل أسرع وتبدأ بالقفز وتتصادم بعضها ببعض و بجدار الوعاء الموجودة فيه.
ومن خلال ذلك نلاحظ أن حجم الغاز ازداد نتيجة إرتفاع درجة الحرارة هذا يفيد بأن تزويد الغاز بالحرارة يزيد من حجمه أما الكتلة تبقى ثابّتة
أن للمادة ثلاث حالات ، صلبة ، سائلة وغازية.
وتعرف أيضاً أن الخشب صلب، والماء سائل، والهواء غاز .
ولكن هل تعلم أن حالات المادة الثلاث تسمى الحالات الفيزيائية للمادة.
بماذا تختلف حالات المادة عن بعضها؟
قديماً فسر الفيلسوف اليوناني ديمقريطس اختلاف حالات المادة بأنه راجع لاختلاف شكل ذراتها.
فذرات المواد الصلبة مكعبة ، لذلك فهي ثابته الشكل، بينما تكون ذرات السوائل كروية ، لذا فهي سهلة الانسياب.
تختلف حالات المادة الفيزيائية عن بعضها في المسافة الفاصلة بين دقائقها، وقوى التجاذب بينها:
فدقائق الغاز متباعدة، وقوى التجاذب ضعيفة جداً،
وعلى الطرف الآخر، دقائق المواد الصلبة متقاربة جداً، وقوى التجاذب بينها عالية.
خصائص حالات المادة
الحالة الصلبة
تتحرك دقائقها حركة موضعية اهتزازية.
لها شكل ثابت.
لها حجم ثابت.
غير قابلة للانضغاط.
طاقتها الحركية قليلة.
الحالة السائلة
تتحرك دقائقها حركة انتقالية ودائمة وعشوائية.
تأخذ شكل الوعاء الذي يوضع فيه.
لها حجم ثابت.
صعبة الانضغاط.
قابلة للجريان.
طاقتها الحركية عالية.
الحالة الغازية
تتحرك دقائقها حركة انتقالية ودائمة وعشوائية وسريعة
وفي خطوط مستقيمة وبكافة الاتجاهات.
تأخذ شكل الوعاء الذي يوضع فيه.
حجمها يعتمد على حجم الوعاء الذي توضع فيه.
قابلة للانضغاط بسهولة.
تمتاز بخاصية الانتشار.
طاقتها الحركية عالية جداً.
تغير الحالة الفيزيائية
ماذا يحدث إذا اخرجت مكعباً من الثلج من الثلاجة وتركته دقائق؟
ماذا تسمى هذه العملية؟
هل حدث تغير في تركيب الماء أثناء هذا التحول؟
تعلم بأن الثلج يسيل إذا تم إخراجه من مُجمدِّ الثلاجة، وأن هذه العملية تسمى انصهاراً.
ولكن هل تعلم بأن تحول الثلج إلى ماء يسمى تغيراً في الحالة الفيزيائية؟
إن التغير في الحالة الفيزيائية يحدث أيضاً عند تحول الماء السائل إلى بخار أو العكس.
وعند تغير الحالة الفيزيائية للمادة لايتغير تركيبها الكيميائي، ولكن التغير يحدث فقط للمسافة بين دقائقها وقوى التجاذب بينها.
فعند تسخين الثلج تهتز الدقائق أكثر وتزيد سرعتها ، وتأخذ الدقائق بالانزلاق على بعضها ، وتبدأ بالذوبان.
وعند تسخين الماء السائل تزداد سرعة الدقائق وتأخذ بالتصادم فيما بينها مما يوفر لبعض الدقائق الموجودة على سطح السائل طاقة حركية كافية فتهرب من السطح وتتحول إلى بخار.
تفسير بعض خصائص المادة
الانتشار
إذا فتح أحدهم غطاء زجاجة عطر في الغرفة التي أنت بها ، فإنك سرعان ما تشعر بذلك، فالرائحة تنتشر بسرعة خلال الغرفة، وتعرف من خلال حاسة الشم بالذي حصل.
الانتشار خاصية تمتاز بها الغازات وتحدث عند اختلاط دقائق الغاز ذاتياً بالهواء.
ولكن هل تنتشر جميع الغازات بنفس السرعة؟
الانضغاط
هل دقائق الغاز متباعدة أم متقاربة؟
هل قوى التجاذب بين دقائق الغاز كبيرة أم قليلة؟
هل سرعة دقائق الغاز عالية أم منخفضة؟
إن تعريض الغاز للضغط، يؤدي إلى تقارب الجزيئات فتزداد معه قوى التجاذب بين الدقائق وتتباطأ وقد تتحول بمزيد من الضغط إلى سائل.
فسر سبب كون المواد الصلبة غير قابلة للانضغاط؟
التكاثف
أيهما يملك طاقة حركية أكبر الماء السائل أم بخاره؟
ماذا يحدث إذا مر البخار فوق سطح بارد؟
تمتلك دقائق البخار طاقة حركية عالية، وعند تعرض البخار لسطح بارد تقل الطاقة الحركية لدقائقه وتتقارب ، وتزداد قوى التجاذب بينها وتتحول إلى سائل.
التبخر
هل يحدث التبخر عند درجة حرارة معينة، أم عند أي درجة حرارة؟
عند أي جزء من السائل يحدث التبخر؟
كيف يحدث التبخر؟
تتحرك دقائق السائل حركة دائمة وعشوائية وفي كافة الاتجاهات، وتسمى هذه الحركة بالحركة البراونية ( نسبة إلى مكتشفها روبرت براون ).
يحدث تصادم بين دقائق السائل بفعل الحركة البراونية مما يؤدي إلى فقدان بعض الدقائق لطاقتها الحركية واكتساب بعضها الآخر لتلك الطاقة، فإذا صادف أن اكتسبت إحدى الدقائق الموجودة على السطح طاقة كافية، فإنها تنفلت من سطح السائل وتتحول إلى بخار.
