11.12
عندما تتعرض مادة— معزولة عن بيئتها— لتغيرات الحرارة، يتم ملاحظة التغيرات المقابلة في درجة الحرارة وطور المادة؛ يتم تمثيل ذلك بيانياً بواسطة منحنيات ال…
تسخين مادة معينة أو تبريدها يؤدي إلى تغيرات في درجات الحرارة،يتبعه تغيرات في مراحل المادة. تسخين مادة معينة يزيد من الطاقة الحرارية لجزيئاتها،وهذا ينعكس على شكل ارتفاع في دراجات الحرارة،إلى أن تصل إلى نقطة تحول. عندما تمتص المادة ما يكفي من الحرارة،فإن قوى الجذب الرابطة بين جزيئاتها يتم التغلب عليها،مما يؤدي إلى مرحلة تحول عند درجة حرارة ثابتة.
عندما يكتمل التحول،يتسبب التسخين بارتفاع في درجة الحرارة مجددًا. عند التوقف عن تسخين المادة،فإن الانخفاض في الطاقة الحرارية لجزيئات المادة يقابله انخفاض في درجة الحرارة،إلى أن تصل إلى نقطة تحول. وبعد ذلك تبقى درجة الحرارة ثابتة،نتيجة إعادة تشكل قوى بين جزيئية أقوى من السابقة،أثناء التغيير المرحلي.
سلوك مادة ما استجابة للتغيرات في درجة حرارتها يمكن تمثيله باستخدام منحنيات التسخين أو منحنيات التبريد،حيث يوضع التغيير في درجة الحرارة في مخطط بياني كدالّة على الحرارة المضافة أو المخفضة. تأملوا دورقًا مملوءًا بمكعبات الجليد،بدرجة حرارية 20 مئوية مبدئيًا. مع تدفق الحرارة إلى الدورق،فإن درجة حرارة الجليد ترتفع على نحو ثابت.
كمية الحرارة التي يجري امتصاصها لتدفئة الجليد تعتمد على السعة الحرارية للجليد. عند الوصول إلى نقطة ذوبان الجليد،تتوقف درجة الحرارة عن الارتفاع رغم التدفق المستمر للحرارة. آثار الحرارة التي جرى امتصاصها تضعف القوى البين جزيئية إلى أن يذوب الجليد كليًا ويتحول إلى ماء سائل.
الخط البياني لتوازن المادة الصلبة مع حالتها السائلة من خصائص التحول المرحلي عند درجة حرارة ثابتة. التغير في قيمة المحتوى الحراري،ما بين بداية ونهاية الخط البياني،يدل على مقدار الحرارة اللازمة لعملية الذوبان،أو بعبارة أخرى،المحتوى الحراري لانصهار الماء. بعد اكتمال عملية الذوبان،فإن الحرارة التي يتم امتصاصها تتسبب بارتفاع خطي مماثل في درجة الحرارة.
السعة الحرارية الخاصة بالماء تحدد كمية الحرارة التي يتم امتصاصها. عند نقطة الغليان،تتوقف درجة الحرارة عن الارتفاع. وعوضًا عن ذلك تساهم الحرارة الممتصة في التغلب على قوى الجذب التي تربط بين جزيئات الماء إلى أن يتبخر الماء كليًا.
الخط البياني لتوازن سائل وبخاره يمثل التحول المرحلي عند درجة حرارة ثابتة. التغير في المحتوى الحراري بين بداية ونهاية الخط البياني،هو المحتوى الحراري لتبخر الماء. بعد أن يتحول جميع السائل إلى بخار،يؤدي استمرار التسخين إلى ارتفاع درجة الحرارة من جديد.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does temperature remain constant during a phase transition?
During a phase transition, absorbed heat overcomes intermolecular forces rather than increasing molecular kinetic energy. The temperature stays constant until the transition completes because all heat energy goes toward breaking attractive forces between molecules. Once the phase change finishes, additional heat resumes raising temperature.
Q2: What does the plateau on a heating curve represent?
A plateau represents a phase transition occurring at constant temperature. During melting or boiling, the temperature does not rise despite continuous heat input. The plateau's length indicates the duration of the phase change, while its vertical position shows the melting or boiling point temperature.
Q3: How does specific heat capacity affect temperature change in a heating curve?
Specific heat capacity determines how much heat a substance absorbs to change temperature by one degree. Materials with higher specific heat capacities require more heat for the same temperature increase, resulting in steeper slopes on heating curves. The relationship is expressed as q equals mass times specific heat times temperature change.
Q4: What is the difference between enthalpy of fusion and enthalpy of vaporization?
Enthalpy of fusion measures heat required to melt a solid into liquid at constant temperature. Enthalpy of vaporization measures heat required to vaporize a liquid into gas at constant temperature. Vaporization typically requires significantly more energy than fusion because gas molecules are farther apart and intermolecular forces are completely overcome.
Q5: How does a cooling curve differ from a heating curve?
A cooling curve plots temperature decrease as heat is removed from a substance, creating a mirror image of a heating curve. Like heating curves, cooling curves show plateaus at phase transitions where temperature remains constant as intermolecular forces re-establish. The slopes reflect specific heat capacities of each phase during cooling.
Q6: Why does boiling become more vigorous when heat is applied faster?
When heat is supplied at a greater rate during boiling, the temperature remains constant because the substance is already at its boiling point. Instead of raising temperature, excess heat accelerates the vaporization process, causing more vigorous bubble formation. The temperature plateau persists until all liquid has transformed into gas.
Q7: What determines the slope of a heating curve between phase transitions?
The slope between phase transitions depends on the specific heat capacity of the phase being heated. Solids, liquids, and gases have different specific heat capacities, producing different slopes. A steeper slope indicates lower specific heat capacity, meaning less heat is needed to raise temperature by one degree.