درجة الحرارة
تعبر درجة الحرارة عن مقياس حرارة أو برودة الجسم، ويمكن قياسها بعدة وحدات. كما يمكن أيضًا تحديد اتجاه انتقال الطاقة الحرارية من جسم إلى آخر؛ حيث تنتقل الحرارة من الجسم الأكثر سخونة، أي الذي يمتلك درجة حرارة أعلى، إلى الجسم البارد، الذي يمتلك درجة حرارة أقل. ومن المهم أن نلاحظ أن درجة الحرارة لا تكافئ الطاقة الديناميكية الحرارية للنظام، فعلى سبيل المثال، يمتلك عود الثقاب المشتعل درجة حرارة أعلى من جبل الثلج، على الرغم من أن الطاقة الحرارية الكلية الموجودة في جبل الثلج تكون أكبر بكثير من تلك الموجودة في عود الثقاب. وتمتاز درجة الحرارة بأنها خاصية شمولية، مثل الكثافة والضغط، وهي خاصية مستقلة عن كمية المادة، التي تعتبر من الخصائص المميزة مثل الكتلة والحجم.
درجة الانصهار
تمثل درجة الانصهار للمادة الدرجة الحرارية التي تتحول عندها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. تُعتبر درجة الانصهار خاصية مميزة للمادة ويمكن استخدامها لتعريفها، حيث تنصهر المواد البلورية الصلبة النقية عند درجات حرارة متفاوتة تحت الظروف الجوية الاعتيادية.
ترتفع درجة الحرارة بشكل منتظم عند تعرض مادة صلبة معينة للحرارة بكمية كافية حتى تصل إلى نقطة الانصهار. بعد هذه النقطة، يتوقف ارتفاع درجة الحرارة، ولا يحدث أي تغيير في درجة الحرارة حتى تتحول المادة إلى حالة سائلة. فكل الحرارة المطبقة تُستخدم في تغيير الحالة من صلبة إلى سائلة، ولا يبقى طاقة كافية لرفع درجة الحرارة في الأجزاء التي حصل فيها التمييع حتى تتحول جميع أجزاء المادة إلى سائل. وعند تطبيق الحرارة مجددًا بعد انقضاء فترة التمييع، سترتفع درجة حرارة المادة مرة أخرى.
الحرارة الكامنة للانصهار
تشير الحرارة الكامنة للانصهار إلى كمية الحرارة المطلوبة لتحويل غرام واحد من المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وتختلف قيمة هذه الحرارة بين المواد. على سبيل المثال، يحتاج الثلج إلى حوالي 80 سعرة حرارية لتحويل غرام واحد منه إلى ماء عند نقطة الانصهار. لذلك، يتم استخدام الثلج في الثلاجات نظرًا لارتفاع قيمته الكامنة. في المقابل، عملية التجمّد هي العملية المعاكسة للانصهار، حيث تتحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، وتنبعث الحرارة أثناء هذه العملية. وتكون كمية الحرارة المنبعثة أثناء التجمّد مكافئة للكمية التي يتم امتصاصها للوصول إلى حالة الانصهار.
درجة الغليان
تحدد درجة غليان المادة بأنها درجة الحرارة التي يتساوى عندها الضغط المؤثر على السائل مع الضغط الناتج عن بخار السائل. تحت هذه الظروف، يتحول السائل إلى بخار دون الحاجة إلى زيادة درجة حرارته.
يتبخر السائل جزئيًا في الفراغ الذي فوقه عند أي درجة حرارة، حتى تصل قيمة الضغط الناتج عن البخار إلى ضغط معين يُسمى ضغط تبخير السائل. يزداد ضغط البخار مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تكوين فقاعات بخار في السائل ترتفع إلى السطح عند وصوله إلى درجة الغليان.
تختلف نقطة الغليان للسوائل تبعاً لاختلاف قيمة الضغط المطبق عليها، حيث تكون درجة الغليان الطبيعية عند درجة الحرارة التي يتساوى فيها ضغط البخار مع الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر، وهو ارتفاع يقدر بـ 760 مم من عمود الزئبق. على سبيل المثال، يغلي الماء عند مستوى سطح البحر عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، أو 212 فهرنهايت، تنخفض درجة الحرارة المطلوبة لغليان السائل كلما زاد الارتفاع.
ارتفاع نقطة الغليان
يعتبر ارتفاع نقطة الغليان خاصية تجميعية للمادة، مثل انخفاض نقطة التجمّد. تحدث هذه الظاهرة عندما ترتفع درجة غليان المحلول لتكون أعلى من درجة غليان المذيب النقي، نتيجة لإضافة مادة مذابة غير متطايرة. يُلاحظ ارتفاع نقطة غليان السائل عند إضافة الملح إلى الماء، حيث يرفع الملح من درجة غليان الماء.
يعتمد ارتفاع نقطة الغليان على عدد الجزيئات الموجودة في المذيب وليس على نوعها أو كتلتها. لذا، فإن زيادة تركيز الجزيئات في المذيب ترفع درجة حرارة غليانه.
كيفية ارتفاع نقطة الغليان
ترتفع درجة غليان المادة عندما تبقى معظم جزيئات المذاب في الحالة السائلة بدلاً من الانتقال إلى الحالة الغازية؛ حيث يجب أن يرتفع ضغط البخار عن الضغط الطبيعي لكي يغلي السائل. وهذا يعد تحديًا بسبب إضافة مكونات غير متطايرة. ولا يحدث فرق عند إضافة مركب كهرلي أو غير كهرلي؛ إذ يرتفع نقطة غليان الماء عند إضافة الملح وهو محلول كهرلي، أو السكر وهو محلول غير كهرلي.
معادلة ارتفاع درجة الغليان
يمكن حساب مقدار ارتفاع درجة الغليان باستخدام معادلة سلسيوس-كلابيرون وقانون راؤول. يمكن التعبير عن معادلة خليط سائل مثالي كالتالي: درجة الغليان الكلية = درجة غليان المذيب + ΔTb؛ حيث تمثل ΔTb المولالية * Kb * i؛ حيث أن Kb هو ثابت “ebullioscopic”، وهو 0.52 درجة مئوية كيلوغرام لكل مول من الماء، بينما i يعبر عن عامل فانت هوف. كما يمكن أيضًا تمثيل المعادلة بالشكل التالي: ΔT = Kbm.