الانصهار

انصهار

Fusion - Fusion

الانصهار

كنج الشوفي

الانصهارmelting (fusion)تحول المادة من الحالة الصلبة solid state إلى الحالة السائلة liquid state. ولكل مادة درجة حرارة محددة تنصهر عندها، وتدعى درجة حرارة انصهار المادة melting temperature .

توجد المادة - بصورة عامة- في ثلاث حالات تدعى الأطوارphases , هي الطور الصلب والطور السائل والطور الغازي. وتوجد في أي طور من هذه الأطوار عند تحقق شروط مناسبة لذلك من ضغط ودرجة حرارة. تدعى عملية انتقال المادة من طور إلى آخر بالتحول الطوري phase transition. فعند انتقال المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة تدعى هذه العملية الانصهارmelting ، أما الانتقال من الحالة السائلة إلى الغازية؛ فيدعى التبخرevaporation . كما يمكن أن يتم الانتقال بالاتجاه المعاكس؛ أي من الحالة البخارية إلى الحالة السائلة (تكاثف)، ومن الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة (تجمد).

هناك تغيران شائعان للطور، هما الانصهار والتبخر، ويرافق تحولاتهما تغير في الطاقة الداخلية؛ مع ثبات في درجة الحرارة والضغط. ويمكن إيضاح ذلك من خلال التحولات الطورية التي تحصل عند إعطاء كمية من الحرارة إلى كمية محددة من الماء باستمرار، ودراسة التغيرات التي تحدث، ويبين (الشكل1) المنحني البياني النموذجي لتغير درجة حرارة الماء مع كمية الطاقة المقدمة للماء.

الشكل (1)

يوضح الجزء أ من (الشكل1) أن درجة الحرارة تزداد من الدرجة 30- حتى الدرجة 0 من خلال تقديم كمية من الطاقة قدرها 62.7 جول. أما في الجزء ب فيُلاحظ ثبات درجة الحرارة عند الدرجة 0 مع استمرار تقديم الطاقة، حيث يتم في هذه المرحلة تحويل المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، واختزان هذه الكمية من الحرارة على شكل طاقة داخلية. يبين الجزء ج من المنحني ارتفاع درجة الحرارة مع ازدياد الطاقة المقدمة حتى 100سْ، وفي الجزء د يحدث عند الدرجة 100سْ تحول طوري آخر للمادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، حيث يلاحظ ثبات درجة الحرارة عند الدرجة 100سْ على الرغم من تقديم الطاقة الخارجية للمادة.

تنصهر المواد الصلبة النقية ذات البنية البلورية إلى الحالة السائلة عند درجة حرارة محددة في ضغط محدد، وهي من الصفات المميزة للمادة. أما المواد الصلبة النقية ذات البنية غير البلورية amorphous؛ فلا تظهر حادثة الانصهار فيها عند درجة حرارة محددة، بل تتحول إلى الحالة السائلة بالتدريج، ومثال ذلك الزجاج .

يمكن الإشارة إلى أن درجة حرارة انصهار المواد الصلبة غير النقية تختلف عن درجة حرارة انصهار المادة النقية من النوع نفسه. مثال ذلك اختلاف درجة انصهار السبائك الصلبة عن درجة انصهار المواد الداخلة في تركيبها. واختلافها باختلاف نسب العناصر المؤلفة لها. على سبيل المثال: إن درجة انصهار سبيكة نحاس مع الفضة بنسبة (40% نحاس + 60% فضة ) هي 740سْ، ودرجة انصهار الفضة 961سْ، ودرجة انصهار النحاس 1083سْ. وإن أهم ما يميز عملية الانصهار (أو التجمد) هو أن درجة حرارة الجسم ثابتة مع الزمن خلال مرحلة التحول؛ على الرغم من تقديم (أو أخذ) حرارة خارجية للجسم.

تختلف المواد فيما بينها من حيث تأثرها بدرجة الحرارة ومن حيث كمية الحرارة التي يجب أن تمتصها المادة عند تحولها من طور إلى آخر. كما أن كمية الحرارة هذه ترتبط بكمية المادة على نحو أساسي. فإذا تطلب تحويل كمية من المادة كتلتها m من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة كمية من الحرارة قدرها Q؛ فإنه يمكن تعريف الحرارة الكامنة للانصهار latent heat of fusion للمادة بالعلاقة (1):

وهي عبارة عن كمية الحرارة اللازمة لتحويل واحدة الكتلة من المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. وتعطى كمية الحرارة اللازمة لانصهار المادة بالعلاقة (2):

من جهة ثانية تتعلق حرارة الانصهار للمادة بفرق الإنتروبية entropy التي تعبر عن درجة الترتيب بين الطورين الصلب و السائل وفق العلاقة (3):

حيث T درجة حرارة الانصهار، في حين يمثل فرق الإنتروبية بين الطورين المدروسين. من جهة أخرى يمكن حساب حرارة الانصهار بدلالة الأنطلبيةenthalpy من العلاقة (4):

حيث تمثل فرق الإنطالبية بين الطورين المدروسين. إن الأنطلبية لأي طور تعطى بالعلاقة (5):

حيث G هو تابع جبسGibbs function ، ويكون له القيمة نفسها من أجل الطورين الصلب والسائل؛ أي إن تغير تابع جبس خلال التحول الطوري يكون معدوماً. وهو ما يعبِّر عن التوازن الطوري بين طورين مختلفين.

إن أبسط طريقة لقياس حرارة الانصهار للأجسام الصلبة تجريبياً هي إعطاء المادة طاقة كهربائية بنسبة ثابتة، ومن ثم قياس تغير درجة الحرارة مع الزمن؛ بعد ذلك رسم التحول البياني لتغيير درجة الحرارة مع الزمن. و يبين المنحني الحراري الناتج أنه في أي تغير طوري يكون شكل الخط البياني في هذه المرحلة مستقيماً كما في (الشكل2).

الشكل (2)

قد تعطي حرارة الانصهار لكل مول مكان واحدة الكتلة مقدر بالحريرة إذا فُرض أن n مول من الجسم الصلب قد تحول إلى سائل خلال الزمن t Δ من تقديم الطاقة الكهربائية ؛ فيمكن كتابة العلاقة (6):

حيث J: المعادل الميكانيكي للحريرة J=4.18. يمكن الإشارة إلى أن قيمة حرارة الانصهار للمادة تعطي فكرة جيدة عن إمكانية استخدامها في التبريد. ويوضح الجدول (1) أن حرارة انصهار الجليد مرتفعة نسبياً؛ لذلك يستخدم على نحو واسع في عمليات التبريد.

ترتبط درجة حرارة انصهار الجسم بطبيعة الجسم كما ترتبط أيضاً بالضغط الموجود به، بعض المواد يحدث عند انصهارها زيادة في الحجم، وبالتالي؛ فإن زيادة الضغط تؤدي إلى ارتفاع في درجة حرارة انصهارها مثل الشمع، والعكس صحيح عندما ينقص حجم المادة عند انصهارها؛ فإن زيادة الضغط تسبب انخفاض درجة حرارة الانصهار. على سبيل المثال: تنخفض درجة حرارة انصهار الجليد (0.0075 سْ) لكل وحدة زيادة في الضغط الجوي.

يمكن حساب مقدار التغيير في درجة حرارة انصهار الجسم عند تغير الضغط من معادلة كلبيرون (العلاقة 7):

حيث: 1V حجم المادة في الطور السائل، 2V حجم المادة في الطور الصلب، : حرارة انصهارها dT تغير درجة الحرارة المطلقة، أما dP فمقدار التغير في الضغط.

وباستخدام المعادلتين (3) و (4) يمكن كتابة المعادلة (7) على النحو التالي (المعادلة (8):

يرافق الانصهار عادة تغير بعض الخواص الفيزيائية للمادة؛ إذ من المعروف أن قيمة طاقة الروابط بين الذرات أو الجزيئات المكوِّنة للمادة في الطور الصلب تكون مرتفعة جداً، وتنخفض قيمة هذه الطاقة بين الذرات عندما تتحول هذه المادة إلى الطور السائل. ويؤدي هذا الاختلاف في طاقة الرابطة بين الطورين إلى اختلاف قيم بعض الخواص الفيزيائية، ومن أهمها التمدد الحراري للمادة. كما يحدث في أثناء عملية الانصهار للمادة تحول من الترتيب المنتظم للجزيئات والذرات في شبكة الطور الصلب إلى ترتيب غير منتظم في الطور السائل، لذلك يحدث تغيير في حجم المادة في أثناء الانصهار؛ وبالتالي يمكن أن يحدث تغيير في كثافة المادة، فمن أجل معظم المواد يحدث ازدياد في الحجم عند الانصهار؛ وبالتالي يحدث انخفاض في كثافة المادة في أثناء الانصهار .

التصنيف : الحرارة والترموديناميك

النوع : الحرارة والترموديناميك

المجلد: المجلد الثالث

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية