ما هي حالات المادة؟

الفيزياء

ما هي حالات المادة؟

ما هي حالات المادة (أو مراحل المادة)؟ كم يبلغ عددها؟ كيف تنتقل المواد من حالة إلى أخرى؟
الجواب: إن أبسط طريقة لوصف حالة المادة هي أنها تُشير إلى مقدار الحرارة الموجودة داخل جزيئات المادة، وكلما ازدادت الحرارة ازدادت حركة الجزيئات وأصبح من الصعب عليها أن تبقى قريبة من بعضها البعض.
تعتمد حالة المادة على كل من درجة الحرارة والضغط في مادة معينة.

هناك في الأساس 5 حالات للمادة:
غاز
سائل
صلب
بلازما
ميوعة فائقة superfluid (مثل تكاثف بوز-أينشتاين Bose-Einstein Condensate).

تصل إلى الثلاث حالات الأولى فقط (الصلبة والسائلة والغازية) من خلال التجربة العادية.
تعتبر البلازما حالة المادة الأكثر وفرة في الكون، لأنها الحالة الموجودة داخل النجوم التي تمر بالاندماج النووي. إنّ كرة البرق أو البرق الكروي Ball lightning هو مثال على البلازما التي تتجلى على الأرض.
توجد الميوعة الفائقة في أنواع معينة من الجزيئات عندما يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وعندها تبدأ التأثيرات الكمية في الظهور.

مراحل الانتقال إلى حالات مختلفة

يمكن أن تمر المواد بعدد من مراحل التحول بين حالاتها:
التكثيف - الغاز إلى السائل
تجمد - سائل إلى صلب
انصهار - صلب إلى سائل
التسامي - صلب لغاز
التبخر - السائل أو الصلب للغاز.

إن هذه التحولات تتعلّق بدرجة الحرارة والضغط. يغلي الماء في درجات حرارة منخفضة على جبل مقارنة مع مستوى سطح البحر بسبب الاختلاف في الضغط.

فهم مخطط المرحلة

من الممكن عمل رسم تخطيطي للمرحلة يحدد التغييرات التي تحدث في مادّة معيّنة.

تقع درجة الحرارة بشكل عام على طول المحور الأفقي بينما يقع الضغط على طول المحور الرأسي. من الممكن إنشاء الرسم البياني في بعض الأحيان باستخدام كلفن Kelvin كوحدة درجة الحرارة ويكون الأصل 0 لكل من درجة الحرارة والضغط، ولكن من الواضح أن هذا غير مطلوب.

يمكن رؤية المنحنيات التي تمثل "منحنى الانصهار" (سائل / حاجز صلب) و "منحنى التبخر" (سائل / حاجز التبخر)، و "منحنى التسامي" (صلب / حاجز التبخر) في الرسم التخطيطي. إنّ المنطقة القريبة من الأصل هي منحنى التسامي وهي تتفرع لتكوين منحنى الانصهار (الذي يتجه إلى الأعلى في الغالب) ومنحنى التبخر (يذهب إلى اليمين). تكون المادة في حالة توازن المرحلة phase equilibrium على طول المنحنيات ومتوازنة بشكل غير مستقر بين الحالتين على كلا الجانبين.

تسمى النقطة التي تلتقي بها جميع المنحنيات الثلاثة بالنقطة الثلاثية triple point. تكون المادة عند هذه الدرجة الدقيقة من درجة الحرارة والضغط في حالة توازن بين الحالات الثلاث وتجعلها التغيرات الطفيفة تنتقل فيما بينها.

تسمّى النقطة التي "ينتهي" عندها منحنى التبخّر النقطة الحرجة. يسمى الضغط في هذه المرحلة "الضغط الحرج" ودرجة الحرارة في هذه المرحلة "درجة الحرارة الحرجة". يوجد خط غير واضح بين الحالات السائلة والغازية للضغط أو درجات الحرارة (أو كليهما) فوق هذه القيم.

لا تحدث التحولات بينهما على الرغم من أن الخصائص نفسها يمكن أن تنتقل بين السوائل والغازات. لا تتحوّل المواد في مرحلة انتقالية واضحة بل تتحوّل تدريجياً من واحدة إلى أخرى.

مخطط المراحل ثلاثي الأبعاد

يحتاج مخطط المراحل أن يكون ثلاثي الأبعاد ليكون كاملاً لأن معادلات الحالة للمادة تعتمد على درجة الحرارة والضغط والحجم أيضًا. تسمى هذه القيم الثلاث (درجة الحرارة والضغط والحجم) إحداثيات الحالة للمادة state coordinates of a material.

يفترض المخطط المرحلي القياسي ثنائي الأبعاد أن الحجم يظل ثابتًا نسبيًا. يمكنك أيضًا أن تفترض أن درجة الحرارة تظل ثابتة وستحصل على مخطط مرحلة مختلف تمامًا.

من الواضح أن توسيع مخطط المرحلة ليشمل جميع إحداثيات الحالات الثلاث يمكن أن يصبح معقدًا إلى حدٍ ما وغير مطلوب لمعظم تحليلات حالات الحالة خاصةً في الغاز غير المثالي.

المصدر