علوم تجربي

  فصل 3
اثر گرما بر حالت مواد

در سال هاي قبل آموختيد كه مواد در دماي اتاق (يعني ْ25C) در سه حالت جامد، مايع و گاز وجود دارند . در شكل زير وضعيت مولكول هاي مواد در هريك از حالت ها را توصيف كنيد.

  ذوب :

اگر يك جسم جامد را در ظرفي گرم كنيم جنبش مولكول هاي آن تندتر مي شود، در نتيجه مولكول ها با يكديگر شديدتر برخورد مي كنند و از هم فاصله ي بيشتري پيدا مي كنند. زياد شدن فاصله ي مولكول ها از هم سبك مي شود كه ربايش بين آنها كمتر شود. حال اگر گرم كردن جسم را ادامه دهيم،‌فاصله ي مولكول ها از هم بيشتر و بيشتر و ربايش بين آنها كمتر و كمتر مي شود. تا جايي كه مولكول ها مي توانند آزادانه در ظرف به حركت درآيند و بدان ترتيب جامد به مايع تبديل مي شود. در اين حالت مي گوئيم جسم جامد ذوب شده است. به دمايي كه ماده ي جامد در آن ذوب مي شود نقطه ذوب مي گويند.  

  انجماد:

وقتي يك مايع را به اندازه كافي سرد كنيم، به جامد تبديل مي شود. تبديل شدن مايع به جامد را انجماد مي گويند. دمايي كه در آن ماده ي مايع به جامد تبديل مي شود، نقطه انجماد ناميده مي شود.
بعضي از مواد ، مثل يخ، در يك دماي معين از حالت جامد به حالت مايع در مي آيند و قبل از ذوب شدن نرم نمي شوند. اگر اين گونه مواد را سرد كنيم، در همان دمايي كه ذوب شده اند، به حالت جامد در مي آيند. موادي مانند يخ،قلع و سرب از اين دسته موادند. اين مواد داراي نقطه ذوب معين هستند. يعني دقيقاً مي توانيم بگوئيم كه اين مواد در چه دمايي ذوب (يا منجمد) مي شوند. در اين گروه از مواد نقطه اي ذوب با نقطه اي انجماد برابر است.
گروهي ديگر از مواد در هنگام تبديل از حالت جامد به مايع كم كم نرم مي شوند. مثلاً قير و شيشه وقتي گرم شوند ابتدا نرم مي شوند و از حالت جامد خارج مي گردند، سپس در اثر گرم شدن بيشتر، كم كم بطور كامل به حالت مايع در مي آيند، اين گونه مواد نقطه اي ذوب معيني ندارند و اصطلاحاً گفته مي شود كه اين مواد ذوب خميري دادند. موادي كه داراي نقطه اي ذوب معيني هستند، نقطه ي انجماد مي توانند به حالت جامد يا مايع يا به هر دو حالت وجود داشته باشند.  

  اثر ناخالصي بر نقطه ي ذوب و انجماد مواد:

آيا آب خالص زودتر يخ مي زند، يا آبي كه مقداري ناخالصي در آن حل شده است؟ آيا وجود ناخالصي روي نقطه ي ذوب و انجماد مواد تأثير دارد؟ در زمستان ها براي جلوگيري از يخ زدن آبي كه در دستگاه خنك كننده ي موتور خودرو وجود دارد، نوعي ماده شبيه الكل را با آب مخلوط مي كنند، به اين ماده ضديخ مي گويند.  

  تبخير:

در دوره ابتدايي آموختيد كه به تبديل مايع به گاز ، تبخير مي گويند. در مواد مايع، مولكول هايي كه بر روي سطح قرار دارند، به سبب وجود ربايش مولكولي ، به وسيله ي مولكول هايي كه در زير آن ها قرار دارد جذب مي شوند، به همين دليل نمي توانند به آساني و آزادانه از سطح مايع جدا شوند و به هوا بروند، در هنگام ورود به هوا با مولكول هاي هوا برخورد مي كنند. به عبارت ديگر مولكول هاي هوا سعي مي كنند كه از ورود آن ها به هوا جلوگيري كنند. هر چه تراكم مولكول هاي هوا (فشار هوا) بيشتر باشد، اين مقاومت بيشتر است.
در همين حالت چون مولكول هاي مايع پيوسته در حال جنبش هستند، گاهي مولكول هاي زيرين به مولكول هاي روي سطح مايع برخورد مي كنند و به آن ها نيرويي به سمت بالا وارد مي كنند.
اگر مقدار نيروي ناشي از ضربه ي مولكول هاي زيرين به نيروي ربايشي كه بر يك مولكول روي سطح مايع توسط مولكول هاي اطراف آن وارد مي شود، غلبه كند، اين مولكول از سطح مايع جدا مي شود و به هوا پرتاب مي گردد. بدين ترتيب مايع بخار مي شود. تبخير مايعات در همه ي دماها انجام مي شود.  

  جوشيدن :

همانطور كه آزمايش به شما نشان داد، سرعت تبخير آب و ديگر مايعات در اثر گرم شدن، بيشتر مي شود. اگر گرم كردن يك مايع را ادامه دهيم دماي آن بالا و بالاتر مي رود تا هنگامي كه مايع به جوش آيد. در هنگام جوشيدن ، مولكول هاي مايع، ديگر فقط از سطح مايع تبخير نمي شوند بلكه در وسط مايع و در كف ظرف نيز حباب هايي از بخار پديد مي آيد كه به سمت بالا حركت مي كنند و در هوا پراكنده مي شوند.  

  ميعان:

تبديل بخار، به مايع را ميعان يعني مايع شدن مي نامند. وقتي كه يك ظرف آب را در اتاق مي گذاريد. همان طور كه تعدادي از مولكول هاي آب پيوسته بخار مي شوند و به هوا مي روند، تعدادي از مولكول هاي بخار آب موجود در هوا نيز كه پيوسته به هر سو در حال حركت اند، ممكن است بطور اتفاقي و تصادفي به سطح آب برخورد كنند و در اثر ربايش مولكول هاي سطح آب،‌به آب باز گردند. در اين حالت ميعان رخ داده است.

روشن است كه هر چه مقدار بخار آب موجود در هوا بيشتر باشد، احتمال برخورد مولكول هاي بخار آب با سطح مايع و بازگشت آن ها به مايع بيشتر است. در بعضي از مناطق كشور ما ، در فصل تابستان، گاهي هوا از بخار آب سير مي شود،‌در اين حالت مي گويند هوا شرجي شده است.
در هواي شرجي گرچه بدن انسان عرق مي كند، اما به دليل كند بودن سرعت تبخير، عرق روي پوست بدن خيلي دير بخارمي شود و چندان كمكي به خنك شدن بدن نمي كند. البته ميعان هميشه بر روي سطح مايع صورت نمي گيرد، بلكه هر وقت بخار يك ماده سرد شود، در هر نقطه اي و روي هر سطحي ممكن است ميعان صورت گيرد. به عمل تبخير و ميعان متوالي تقطير مي گويند. دستگاه تقطير وسيله اي است كه به وسيله آن مي توان از آب شور آب شيرين تهيه كرد. به آبي كه از طريق تقطير بدست مي آيد آب مقطر گفته مي شود.

  تصعيد و چگالش

بعضي از مواد مي توانند مستقيماً از حالت جامد به حالت بخار درآيند. مثلاً چند روز قرص نفتالين را مدتي در يك ظرف در باز بگذاريد، مشاهده مي كنيد، كه قرص ها روز به روز كوچك تر مي شوند. نفتالين بدون ذوب شدن مستقيماً به بخار تبديل مي شود، به تبديل مستقيم جامد به بخار تصعيد يا فرازش مي گويند . تصعيد در مورد بعضي مواد ديگر همه اتفاق مي افتد. عكس عمل تصعيد، يعني تبديل مستقيم گاز به جامد چگالش ناميده مي شود. برفكي كه در يخ ساز يخچال مشاهده مي شود، حاصل چگالش بخار آب يعني تبديل شدن مستقيم بخار آب به يخ است.

  تغييرات گرماگير و تغييرات گرماده :

در بعضي از تغييرها، ماده بايد ازمحيط پيرامون خود گرما بگيرد. به اين گونه تغييرها گرماگير گفته مي شود. مثلاً ذوب يك تغيير گرماگير است. يعني يك ماده ي جامد براي اينكه به مايع تبديل شود، بايد گرما دريافت كند. اگر مقداري يخ ذوب شود. براي ذوب شدن از چيزهاي اطراف خود گرما مي گيرد و در نتيجه آن چيزها را سرد مي كند. به همين دليل است كه از يخ براي سرد كردن آب و چيزهاي ديگر استفاده مي شود. علاوه بر ذوب ، تبخير و تصعيد نيز تغييرهاي گرماگير هستند.
مي دانيد دي اكسيد كربن گازي بي رنگ و بو است. اگر اين گاز را متراكم و سرد كنيم تبديل به ماده جامد تقريباً سفيد رنگي مي شود. اين ماده جامد مي تواند از محيط اطراف خود گرما جذب كند و مستقيماً به بخار (تصعيد) تبديل شود. چون تصعيد كربن دي اكسيد جامد ( يخ خشك) گرماگير است. از اين رو سبب مي شود كه محيط پيرامون سرد شود.

بعضي ديگر از تغييرات گرماده هستند. مثلاً آب در هنگام انجماد يا يخ زدن مقداري گرما به محيط اطراف خود مي دهد و سپس به يخ تبديل مي شود. به همين دليل است كه آب را براي يخ زدن در جاي سرد مي گذارند. يعني وقت آب در يك محيط سرد قرار بگيرد،‌آن قدر از گرماي خود به آن محيط مي دهد تا منجمد شود.  

  فكر كنيد
عوامل مؤثر بر سرعت تبخير را برشماريد و علت تأثير هر عامل را با توجه به طبيعت ذره اي ماده و ويژگي هاي آن (نظريه مولكولي) توضيح دهيد.

1 – گرم كردن :
وقتي به يك مايع گرما مي دهيم جنبش مولكول ها زيادتر مي شود. به يكديگر برخورد كرده فاصله بين آنها بيشتر مي شود. در نتيجه نيروي ربايش كمتر شده و سريعتر به هوا پرتاب مي شوند.

2 – سطح مايع:
هر چه مساحت سطح مايع بيشتر باشد مولكول ها فرصت بيشتري براي آزاد شدن از سطح مايع پيدا مي كنند بنابراين زودتر تبخير مي شوند.

3 – وزش باد :
وزش باد سبب مي شود مولكول هايي كه در سطح مايع قرار دارند سريعتر از مايع جدا شده و وارد هوا شوند.

4 – نوع مايع :
هر چه نيروي ربايش بين مولكول هاي مايع بيشتر باشد سرعت تبخير كمتر است.

5 – ناخالصي :
هر چه ناخالصي بيشتر باشد مايع غليظ تر شده نيروي ربايش بين مولكول ها زيادتر مي شود، فاصله بين مولكول ها كمتر مي شود و سرعت تبخير كاهش مي يابد.

6 – رطوبت :
هر چه رطوبت هوا بيشتر باشد تعداد مولكول هايي كه از سطح مايع جدا مي شوند با تعداد مولكول هايي كه به مايع باز مي گردند تقريباً مساوي مي شود و در نتيجه تبخير كاهش مي يابد.  

  فكر كنيد
چرا در محيط هاي مرطوب مثل حمام، لباس هاي خيس ديرتر خشك مي شوند؟

محيط هايي مانند حمام از بخار آب اشباع شده است بطوريكه گاهي اوقات سرعت بخار با سرعت ميعان برابر شده و تبخير صورت نمي گيرد.

آيا مي توانيد پاسخ اين پرسش را به طور كلي به عنوان يكي ديگر از عوامل مؤثر بر سرعت تبخير بيان كنيد؟
بله ، هر چه رطوبت بيشتر باشد، سرعت تبخير كاهش مي يابد  

  فكر كنيد
بارش باران چه ارتباطي با ميعان بخار آب دارد؟

بخار آب بر اثر سرما در ارتفاعات متراكم شده به قطرات آب تبديل مي شود يعني عمل ميعان صورت گرفته است.  

  اطلاعات جمع آوري كنيد
نوشيدن مداوم آب مقطر – يعني آبي كه هيچگونه مواد معدني ندارند – براي سلامتي زيان آور است. چرا؟

در آب هاي نوشيدني معمولي تركيبات مختلف از جمله آهن، كلسيم و فلوئوروجود دارد كه تا حدودي نياز قسمت هاي مختلف بدن از جمله استخوان ها،‌خون ،‌دندان و غيره را برطرف مي كند. چون آب مقطر مواد معدني ندارد با مصرف مداوم آن بدن دچار كمبود اين مواد مي شود.  

  فكر كنيد
اگر در يك ظرف شيشه اي دربسته تعدادي قرص نفتالين بيندازيم، پس از مدتي چند بلور بسيار ريز نفتالين روي ديواره ي ظرف و اطراف در آن مشاهده مي شود. علت چيست؟

قرص هاي نفتالين ابتدا به حالت بخار در مي آيند (تصعيد) در اثر تماس با فضاي بالاي ظرف ، سرد شده و دوباره به بلورهاي ريز نفتالين تبديل مي شوند (چگالش)

فكر كنيد
1 – چرا وقتي از استخر بيرون مي آييد بدن شما احساس سرما مي كند؟
زيرا آب موجود بر روي سطح بدن براي تبخير شدن نياز به گرما دارد و اين گرما را از بدن ما دريافت مي كند، بنابراين احساس سرما مي كنيم.