Back to chapter

11.12:

منحنيات التسخين والتبريد

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Heating and Cooling Curves

Languages

Share

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.

11.12:

منحنيات التسخين والتبريد

عندما تتعرض مادة— معزولة عن بيئتها— لتغيرات الحرارة، يتم ملاحظة التغيرات المقابلة في درجة الحرارة وطور المادة؛ يتم تمثيل ذلك بيانياً بواسطة منحنيات التسخين والتبريد.

على سبيل المثال، تؤدي إضافة الحرارة إلى زيادة درجة حرارة مادة صلبة؛ تعتمد كمية الحرارة الممتصة على السعة الحرارية للمادة الصلبة (q=mcصلب&#916؛T). وفقاً للكيمياء الحرارية، فإن العلاقة بين كمية الحرارة التي تمتصها أو تطلقها مادة ما، q، وتغير درجة الحرارة المصاحب لها، ΔT، هي:

Eq1

حيث m كتلة المادة و c هي الحرارة النوعية لها. العلاقة تنطبق على المادة التي يتم تسخينها أو تبريدها، ولكن لا تنطبق على تغيير حالتها.

عندما تكون درجة الحرارة عالية بما يكفي، تبدأ المادة الصلبة في الذوبان (الشكل 1 ، النقطة أ). تعتمد الحرارة الممتصة على السعة الحرارية الصلبة’ (q = mcصلبΔT)، ويلاحظ وجود هضبة عند نقطة انصهارها. تشير الهضبة إلى تغير الحالة من صلب إلى سائل، حيث لا ترتفع درجة الحرارة بسبب حرارة الانصهار (q = mΔHfusion). بعبارة أخرى ، يكون اكتساب المزيد من الحرارة نتيجة لتناقص عوامل الجذب بين الجزيئات، بدلاً من زيادة الطاقات الحركية الجزيئية. وبالتالي، بينما تتغير حالة المادة، تظل درجة حرارتها ثابتة.

بمجرد ذوبان المادة الصلبة تمامًا (الشكل 1 ، النقطة ب)، يبدأ السائل في الاحترار ويتعرض لارتفاع في درجة الحرارة. تعتمد الحرارة الممتصة على السعة الحرارية للسائل (q = mcسائلΔT). عندما يصل السائل إلى نقطة الغليان، يبدأ السائل في التبخر (الشكل 1 ، النقطة C) وتظل درجة الحرارة ثابتة على الرغم من استمرار إدخال الحرارة. لوحظ وجود هضبة أخرى (درجة حرارة ثابتة) عند نقطة غليان السائل أثناء انتقال السائل إلى الغاز بسبب حرارة التبخر (q = mΔHبخار). يتم الحفاظ على درجة الحرارة نفسها بواسطة السائل طالما أنه يغلي. إذا تم توفير الحرارة بمعدل أكبر، فإن درجة حرارة السائل لا ترتفع، ولكن بدلاً من ذلك، يصبح الغليان أكثر قوة (سريعاً). بعد تبخر كل السائل (الشكل 1 ، النقطة D) ، تزداد درجة حرارة الغاز.

Image1

الشكل 1. يصور منحنى التسخين التمثيلي لمادة ما التغيرات في درجة الحرارة التي تنتج عندما تمتص المادة كميات متزايدة من الحرارة. تظهر الهضاب في المنحنى (مناطق درجة حرارة ثابتة) عندما تخضع المادة لتحولات طورية.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions.