تغيرات الطور، درجة الحرارة الحرجة، النقطة الثلاثية

مقال عن تغيرات الطور، درجة الحرارة الحرجة، النقطة الثلاثية

في مناقشة قانون الغاز المثالي، تم توضيح أن هذا القانون يصف سلوك الغاز الحقيقي بدقة فقط عندما لا يكون ضغطه وكثافته مرتفعين للغاية. أما إذا كان الضغط والكثافة مرتفعين بما يكفي، فإن القانون يعطي نتائج غير دقيقة، وكذلك عندما تقترب درجة حرارة الغاز الحقيقي من نقطة الغليان. ويرتبط هذا بالتفاعلات التي تحدث بين جزيئات الغاز الحقيقي. يتناسب ضغط الغاز عكسيًا مع حجمه. فعندما يكون ضغط الغاز مرتفعًا بما يكفي، يقل حجمه. وبسبب انخفاض حجم الغاز، تتقارب المسافة بين جزيئاته، مما يؤدي إلى تجاذبها. يشبه الأمر وضع قطعة من الحديد على مغناطيس؛ فإذا كانت المسافة بينهما كبيرة، لا يستطيع المغناطيس جذب الحديد، أما إذا كانت قريبة، فإنه ينجذب إليه.

لذا، تتصرف جزيئات الغاز كالمغناطيس. فعندما تتقارب المسافة بين الجزيئات، تتجاذب فيما بينها. وتؤدي قوة الجذب هذه إلى تقاربها أكثر (أي يقل حجم الغاز). وعادةً ما يحدث هذا عندما يكون ضغط الغاز مرتفعًا (ضغط مرتفع، حجم منخفض. حجم صغير، وبالتالي تتقارب المسافة بين الجزيئات). لذلك، لا يُعطي قانون الغاز المثالي نتائج دقيقة عندما يكون ضغط وكثافة الغاز الحقيقي مرتفعين.

رسم بياني يوضح العلاقة بين الضغط وحجم الضغط

لفهم المشكلة المذكورة أعلاه بشكل أفضل، دعونا نراجع الرسم البياني الذي يوضح العلاقة بين ضغط الغاز وحجمه. تُظهر المنحنيات 1 و2 و3 و4 سلوك الغاز نفسه عند درجات حرارة مختلفة. درجة حرارة الغاز الموضحة في المنحنى 1 أعلى من درجة حرارة الغاز الموضحة في المنحنى 2. درجة حرارة الغاز الموضحة في المنحنى 2 أعلى من درجة حرارة الغاز الموضحة في المنحنى 3. درجة حرارة الغاز الموضحة في المنحنى 3 أعلى من درجة حرارة الغاز الموضحة في المنحنى 4. المنحنى المائل في منتصف الرسم البياني يمثل درجة حرارة الغاز الثابتة، مما يؤدي إلى تغيير ضغط الغاز (P) وحجمه (V) فقط.

وفقًا لقانون الغاز المثالي، يجب أن ينتهي الخط الواصل من النقطة 1 عند النقطة 1. وبالمثل، يجب أن ينتهي الخط الواصل من النقطة 2 عند النقطة 2. إلا أن الواقع الذي يعيشه الغاز الحقيقي لا يتوافق مع توقعات قانون الغاز المثالي. فعندما يكون ضغط الغاز مرتفعًا بدرجة كافية، يقل حجمه وينحرف عن توقعات قانون الغاز المثالي (قارن بين المنحنيين 1 و2). كما يعتمد مقدار انحراف حجم الغاز على درجة الحرارة. فإذا كانت درجة حرارة الغاز منخفضة وتقترب من نقطة انصهاره، أي نقطة غليانه (النقطة ب)، فإن انحراف حجم الغاز يكون عادةً أكبر مما هو عليه عندما تكون درجة الحرارة أعلى (قارن بين المنحنيات 1 و2 و3 و4). ويتأثر ذلك بوجود قوى التجاذب بين جزيئات الغاز، كما سبق شرحه.

يوضح المنحنى 3 في الرسم البياني أعلاه سلوك المادة عند درجة حرارتها الحرجة. تُسمى النقطة ج التي يمر بها المنحنى 3 بالنقطة الحرجة. عند درجات حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة، لا يمكن للغاز أن يتحول إلى سائل، حتى مع تعرضه لضغط كبير (قارن بالمنحنيين 2 و1). فالضغط المطبق يُقلل حجم الغاز فقط، ولا يحوله إلى سائل. في المقابل، عند درجات حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة، يتحول الغاز إلى سائل عند تعرضه لضغط مطلق (قارن بالمنحنى 3). يُعرف مقدار الضغط اللازم لتحويل الغاز إلى سائل عند درجة حرارة حرجة بالضغط الحرج. لكل مادة درجة حرارة حرجة وضغط حرج مختلفان.

يوضح المنحنى رقم 4 في الرسم البياني أعلاه عملية التحول من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة. المنطقة المظللة (التي تشبه الجبل) هي منطقة التوازن بين الغاز والسائل. في البداية، يكون حجم الغاز كبيرًا. بعد زيادة ضغط الغاز، يتقلص حجمه تدريجيًا حتى يصل إلى النقطة ب (وهي نقطة الانصهار، أو نقطة الغليان). عند الوصول إلى النقطة ب، يبدأ الغاز بالتحول إلى سائل. خلال عملية التحول من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة (من النقطة ب إلى النقطة أ)، يتقلص حجم المادة حتى مع عدم وجود زيادة في الضغط (المشار إليه بخط مستقيم). عند النقطة أ، تكون جميع الغازات قد تحولت إلى سائل. بعد الوصول إلى النقطة أ، لا تؤدي زيادة الضغط على المادة إلا إلى تغير طفيف في الحجم (المشار إليه بمنحنى شديد الانحدار).

في حياتنا اليومية، نستخدم مصطلحي البخار والغاز بكثرة. على سبيل المثال، بخار الماء أو غاز النيتروجين. ونادرًا ما نشير إلى بخار الماء بغاز الماء، مع أنه غاز ناتج عن الماء. وينطبق الأمر نفسه على النيتروجين والأكسجين، إذ يُشار إليهما عادةً بالغاز. للغاز والبخار معانٍ مختلفة. فإذا كان الغاز المنبعث من مادة ما أقل من درجة حرارتها الحرجة، يُطلق عليه بخار. أما إذا كان الغاز المنبعث من مادة ما أعلى من درجة حرارتها الحرجة، يُطلق عليه غاز.

مخطط الضغط مقابل درجة الحرارة (مخطط الطور)

سبق وصف سلوك المواد باستخدام مخطط الضغط مقابل الحجم. بالإضافة إلى استخدام هذا المخطط، يمكن شرح سلوك المواد باستخدام مخطط الضغط (P) مقابل درجة الحرارة (T). تُعرف مخططات الضغط مقابل درجة الحرارة عادةً باسم مخططات الأطوار. سُميت بمخططات الأطوار لأنها تُستخدم لمقارنة أطوار المادة. الماء من المواد التي تتغير أطوارها باستمرار.

يوجد ثلاثة منحنيات على الرسم البياني، وهي منحنيات التبخر، ومنحنيات الانصهار، ومنحنيات التسامي.

يُظهر منحنى التبخر النقاط التي يكون فيها السائل والبخار في حالة توازن. تُسمى النقطة التي يكون فيها السائل والبخار في حالة توازن بنقطة الانصهار، أو نقطة الغليان (تُسمى نقطة الانصهار لأن البخار عند هذه النقطة يمكن أن ينصهر ويتحول إلى ماء. وتُسمى نقطة الغليان لأن الماء عند هذه النقطة يمكن أن يغلي ويتحول إلى بخار). وبالتالي، فإن منحنى التبخر هو في الواقع رسم بياني يوضح العلاقة بين الضغط (P) ودرجة حرارة الغليان/الانصهار. يبدو أنه كلما انخفض الضغط، انخفضت درجة حرارة غليان الماء، والعكس صحيح. عند ضغط 1 ضغط جوي، تكون درجة حرارة غليان الماء 100 ^درجة مئوية. وعلى العكس من ذلك، عند ضغط 218 ضغط جوي، تكون درجة حرارة غليان الماء 374 ^درجة مئوية.

يُطلق على ضغط 218 ضغط جوي اسم الضغط الحرج للماء، بينما تُسمى درجة حرارة 374 ^{درجة مئوية درجة الحرارة الحرجة للماء. إذا كانت درجة حرارة البخار أقل من 374 درجة} مئوية، فإنه يمكن أن يتحول إلى سائل عند تعرضه لضغط 374 ^{درجة مئوية. أما إذا كانت درجة الحرارة أعلى من 218 درجة} مئوية، فلا يمكن تحويل البخار إلى سائل.

يُظهر منحنى الانصهار النقاط التي يكون عندها السائل والصلب في حالة اتزان. تُسمى النقطة التي يكون عندها السائل والصلب في حالة اتزان بنقطة الانصهار أو نقطة التجمد (تُسمى نقطة الانصهار لأن الجليد عند هذه النقطة يتحول إلى ماء، وتُسمى نقطة التجمد لأن الماء عند هذه النقطة يتجمد إلى جليد). وبالتالي، فإن منحنى الانصهار هو رسم بياني يوضح العلاقة بين الضغط (P) ودرجة حرارة الانصهار أو التجمد. عند ضغط جوي واحد، تكون درجة تجمد الماء (أو درجة انصهار الجليد) تساوي صفر ^درجة مئوية. وعلى النقيض من ذلك، عند ضغط جوي واحد، تكون درجة تجمد الماء (أو درجة انصهار الجليد) أقل من صفر ^درجة مئوية. لاحظ أنه عند ضغط جوي واحد، يكون الماء سائلاً إذا كانت درجة حرارته بين صفر و100 ^{درجة مئوية. ويكون الماء صلباً إذا كانت درجة حرارته أقل من صفر درجة} مئوية عند ضغط جوي واحد، أو يكون بخاراً إذا كانت درجة حرارته أعلى من 100 ^درجة مئوية عند ضغط جوي واحد.

يُظهر منحنى التسامي النقاط التي يكون فيها كل من المادة الصلبة والبخار في حالة توازن. تُسمى حالة التوازن بنقطة التسامي. لذا، فإن منحنى التسامي هو رسم بياني يوضح العلاقة بين الضغط (P) ودرجة حرارة نقطة التسامي. التسامي هو عملية تحول المادة الصلبة إلى بخار دون المرور عبر سائل. عادةً، يحدث التسامي فقط عند ضغط منخفض. لا يمكن للجليد أن يتسامى إلا إذا كانت درجة حرارته أقل من 0.01 ^oج، ويكون الضغط أقل من 0.006 ضغط جوي. تسمى النقطة التي تتقاطع فيها المنحنيات الثلاثة بالنقطة الثلاثية.

فيما يلي مخطط طوري لثاني أكسيد الكربون. لاحظ أن المقياس في مخطط طور الماء ومخطط طور ثاني أكسيد الكربون ليس خطيًا.