تغییر حالت مواد با گرما و سرما

تغییر حالت مواد با گرما و سرما: سفر اتم‌ها

حالت‌های ماده و انرژی گرمایی

همه مواد اطراف ما در یکی از سه حالت اصلی جامد، مایع و گاز قرار دارند. این حالت‌ها به دلیل میزان انرژی ذرات سازنده ماده (اتم‌ها و مولکول‌ها) و نحوه آرایش آن‌ها نسبت به یکدیگر ایجاد می‌شوند. گرما شکلی از انرژی است که به این ذرات داده می‌شود و باعث افزایش حرکت و فاصله بین آن‌ها می‌گردد. برعکس، سرما که به معنای گرفتن گرماست، باعث کاهش انرژی و حرکت ذرات و نزدیک‌تر شدن آن‌ها به هم می‌شود. برای مثال، زمانی که به یک قالب یخ گرما می‌دهیم، انرژی مولکول‌های آب افزایش یافته و از حالت منظم و ثابت (جامد) به حالت روان و جاری (مایع) تبدیل می‌شود. این فرآیند ذوب نام دارد.

ذوب و انجماد: تبدیل بین جامد و مایع

دو فرآیند معکوس که بین حالت جامد و مایع اتفاق می‌افتند، ذوب و انجماد هستند.

ذوب: تبدیل یک ماده از حالت جامد به مایع با جذب گرما. به دمایی که در آن این اتفاق می‌افتد نقطه ذوب می‌گویند. نقطه ذوب برای هر ماده خاص ثابت است. برای مثال، نقطه ذوب یخ (آب جامد) 0 °C است.

انجماد: تبدیل یک ماده از حالت مایع به جامد با از دست دادن گرما. به دمایی که در آن این اتفاق می‌افتد نقطه انجماد می‌گویند. جالب است بدانید نقطه انجماد یک ماده با نقطه ذوب آن برابر است. بنابراین نقطه انجماد آب نیز 0 °C است.

مثال روزمره: وقتی بستنی را خارج از فریزر قرار می‌دهید، گرما از محیط اطراف جذب کرده و ذوب می‌شود. برعکس، وقتی آب را در فریزر می‌گذارید، گرما از دست داده و منجمد می‌شود.

تبخیر و میعان: سفر بین مایع و گاز

تبخیر و میعان، تغییر حالت بین مایع و گاز هستند.

تبخیر: تبدیل یک ماده از حالت مایع به گاز که در هر دمایی زیر نقطه جوش می‌تواند رخ دهد. در این فرآیند، مولکول‌های پرانرژی سطح مایع، پیوندهای بین مولکولی را شکسته و به صورت گاز درمی‌آیند. به همین دلیل تبخیر یک فرآیند سردکننده است (مانند احساس خنکی بعد از خروج از استخر).

جوشیدن: یک نوع تبخیر سریع و شدید است که در دمای خاصی به نام نقطه جوش و در تمام حجم مایع رخ می‌دهد. نقطه جوش آب در سطح دریا 100 °C است.

میعان: تبدیل یک ماده از حالت گاز به مایع که با از دست دادن گرما (سرد شدن) اتفاق می‌افتد. این فرآیند معکوس تبخیر است.

مثال روزمره: تشکیل شبنم روی برگ گیاهان در صبح زود، نتیجه میعان بخار آب موجود در هوا است. خشک شدن لباس‌های خیس روی بند، نمونه‌ای از تبخیر است.

تصعید و چگالش: تبدیل مستقیم جامد و گاز

بعضی مواد می‌توانند مستقیماً از حالت جامد به گاز تبدیل شوند بدون اینکه از فاز مایع عبور کنند. به این فرآیند تصعید می‌گویند. فرآیند معکوس آن، یعنی تبدیل مستقیم از گاز به جامد، چگالش نام دارد.

معروف‌ترین مثال برای تصعید، یخ خشک است که در واقع گاز دی‌اکسید کربن جامد است. وقتی یخ خشک در دمای اتاق قرار می‌گیرد، به جای ذوب شدن، مستقیماً به گاز تبدیل می‌شود و دودی که می‌بینیم در واقع غباری از بلورهای ریز آب است که در اثر سرمای زیاد اطراف آن متراکم شده‌اند. مثال چگالش، تشکیل برفک داخل فریزر یا شکل‌گیری برف در ابرهاست.

کاربردهای تغییر حالت مواد در فناوری و صنعت

درک تغییر حالت مواد پایه و اساس بسیاری از فناوری‌های مدرن است.

سرمایش و تهویه مطبوع: درون یخچال یا کولر گازی، یک مایع مخصوص (مبرد) وجود دارد. این مایع در اواپراتور (قسمت سرد) گرما را از داخل یخچال جذب کرده و می‌جوشد (تبخیر) و باعث خنک‌شدن فضای داخلی می‌شود. سپس این گاز به کمپرسور رفته و فشرده می‌شود. در کندانسور (پشت یخچال)، این گاز فشرده و گرم، گرما را به محیط بیرون پس داده و مجدداً به مایع تبدیل می‌شود (میعان). این چرخه به طور مداوم تکرار می‌شود.

تقطیر: این روش برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع بر اساس نقاط جوش متفاوت استفاده می‌شود. مثلاً در پالایشگاه نفت، نفت خام حرارت داده می‌شود. اجزایی که نقطه جوش پایین‌تری دارند زودتر تبخیر شده و سپس در بخش دیگری سرد شده و به مایع تبدیل می‌شوند (میعان). از این روش برای تولید بنزین، نفتا و دیگر فرآورده‌های نفتی استفاده می‌کنند.

ذوب فلزات و ریخته‌گری: در صنعت، فلزات را تا بالای نقطه ذوبشان حرارت می‌دهند تا ذوب شوند و به حالت مایع درآیند. سپس این مایع مذاب را در قالب‌های خاصی می‌ریزند تا پس از انجماد، به شکل دلخواه (مانند قطعات موتور خودرو) دربیایند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹میعان (Condensation): فرآیند تغییر حالت ماده از گاز به مایع.

²تصعید (Sublimation): فرآیند تغییر حالت مستقیم ماده از جامد به گاز، بدون گذر از فاز مایع.

³مبرد (Refrigerant): ماده‌ای که در سیستم‌های تبرید (مانند یخچال) used می‌شود و با تبخیر و میعان مداوم، گرما را جذب و دفع می‌کند.

⁴تقطیر (Distillation): یک روش صنعتی برای جداسازی اجزای یک مخلوط بر اساس تفاوت در نقاط جوش آن‌ها.