تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا الحرارية (٣)

يرتكز الدرس على كيفية حساب كمية الحرارة اللازمة لتغيير حالة المادة دون تغير درجة حرارتها، عبر استخدام الحرارة الكمنة للانصهار أو للتبخر، إضافة إلى فهم قوانين الديناميكا الحرارية والإنتروبي. انظر إلى حساب حرارة صهر قالب من الجليد: تضرب كتلة الجليد في الحرارة الكمنة للانصهار $Q = m H_f$. فلو كانت كتلة الجليد $20.0\text{ kg}$ والحرارة الكمنة معروفة، ستجد كمية الحرارة الممتصة بدقة.

الفكرة الأساسية

عندما تكتسب المادة حرارة فإنها إما أن ترتفع درجة حرارتها أو تتغير حالتها من صلبة إلى سائلة أو غازية. الفكرة هنا هي حساب الطاقة المطلوبة لهذا التحول عند ثبات درجة الحرارة، وكيف تتحرك الطاقة في الكون.

الشرح

لكي تحول المادة من حالة إلى أخرى، فإنك تستخدم علاقات الحرارة الكمنة. لحساب كمية الحرارة اللازمة للانصهار تستخدم القانون $Q = m H_f$ حيث $Q$ هي كمية الحرارة، و$m$ هي كتلة المادة، و$H_f$ هي الحرارة الكمنة للانصهار. أما لتحويل السائل إلى بخار فعليك استخدام $Q = m H_v$ حيث $H_v$ هي الحرارة الكمنة للتبخر. وفي الديناميكا الحرارية، يعبر الإنتروبي عن مقياس الفوضى أو العشوائية في النظام، وهو يزداد دائماً في العمليات التلقائية.

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا كان لديك قالب من الجليد كتلته $20.0\text{ kg}$ عند درجة حرارة $0.0\text{ C}$، فما مقدار كمية الحرارة التي يمتصها القالب في أثناء انصهاره؟ الخطوة الأولى: حدد المعطيات من المسألة، كتلة الجليد $m = 20.0\text{ kg}$، ودرجة الحرارة ثابتة عند نقطة الانصهار $0.0\text{ C}$. الخطوة الثانية: اكتب القانون المناسب لحساب الحرارة اللازمة للانصهار $Q = m H_f$. الخطوة الثالثة: عوض بالقيم واحسب الناتج النهائي لتجد كمية الحرارة بالجول.

أخطاء شائعة

من الخطأ الشائع خلط القوانين واستخدام قانون التغير في درجات الحرارة $Q = m c \Delta T$ في مواضع تغير حالة المادة حيث تكون درجة الحرارة ثابتة. تذكر جيداً: تغير الحالة لا يستخدم فيه التغير في درجات الحرارة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما مقدار كمية الحرارة اللازمة لصهر قالب من الجليد كتلته $10.0\text{ g}$ عند درجة حرارة $0.0\text{ C}$ لتحويلها إلى بخار ماء عند درجة حرارة $120.0\text{ C}$؟ الإجابة: تحتاج لحساب حرارة الانصهار أولاً ثم حرارة رفع الأداء ثم حرارة التبخر. السؤال الثاني: ما وحدات الإنتروبي في النظام الدولي؟ الإجابة: وحدة الإنتروبي هي جول لكل كلفن $J/K$.