تُعرف نقطة تجمد الماء في النظام الدولي بأنها صفر درجة مئوية. إذا عدنا إلى الماضي، نجد أنه قبل استخدام مقاييس الحرارة لم يكن قد تم تحديد هذه الدرجة، ولكن تم اعتبرها كمرجع أساسي لأنها تعتبر المعيار الأول الذي يعتمد عليه العلماء في قياس درجة الحرارة والكثافة.
الماء
- يُعتبر الماء عنصرًا أساسيًا للحياة على الأرض، حيث يغطي نحو 71٪ من سطح الأرض ويشكل جزءًا من تركيب كافة الكائنات الحية، ويلعب دورًا حيويًا في كافة العمليات البيولوجية.
- الماء هو مركب كيميائي يُعبّر عنه بالصيغة H2O، وهو يتكون من ذرة أكسجين واحدة وذرتين من الهيدروجين. من خصائصه أنه شفاف، خالٍ من اللون والطعم والرائحة، ويعمل كمذيب فعّال لمعظم المركبات.
- كما يُستخدم كوسيط في العديد من التفاعلات، مما يجعل دراسته أمرًا ضروريًا لفهم كافة القضايا المتعلقة بالماء والعوامل المؤثرة في استخدامه.
- تتجلى أهمية الماء في مختلف مجالات الحياة، من الصناعة والزراعة إلى الأنشطة المنزلية، مما يجعل من الضروري دراسة خصائصه بدايةً من تجمده وحتى انصهاره وغليه.
حالات تواجد الماء
- يتواجد الماء في ثلاث حالات فيزيائية في الطبيعة، وكل حالة لها أهميتها، حيث تعتبر الحالة السائلة الأكثر شيوعًا على سطح الأرض، مثل مياه الأنهار والبحيرات.
- تُعتبر الحالة السائلة مسؤولة عن العمليات البيولوجية داخل الكائنات الحية، بينما يتمثل الشكل الصلب في الثلج.
- الحالة الغازية هي بخار الماء الذي يتواجد في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تشكيل السحب والضباب.
- تُسمى عملية تحويل المادة من الصلبة إلى السائلة بالذوبان، بينما تُعرف عملية تحولها من السائلة إلى الصلبة بالتجميد.
- بينما تُسمى عملية التحويل من الغاز إلى السائل بالتكثيف، والعملية العكسية تُعرف بالتبخر. وهناك حالة تسمى التسامي عندما يحدث تحول مباشر من صلب إلى غاز دون المرور بالحالة السائلة.
درجة تجمد الماء في النظام الدولي
- عند اختراع أول مقياس حراري زئبقي، تم وضع الزئبق في أنبوب رفيع وطويل وتم غمره في الماء. بعد ذلك، تم تبريد الماء حتى تحول إلى ثلج، مما أدى لوضع علامة على أنبوب الزئبق.
- ثم تم تسخين الثلج حتى تحول إلى ماء ثم إلى بخار، وتم وضع علامة أخرى أيضاً. من هنا، تم تحديد علامتين تمثلان المسافة بين نقطة التجمد والغليان، والتي قُسِّمت إلى 100 وحدة يُطلق عليها “سلزيوس”، حيث تعتبر نقطة التجمد صفرًا ونقطة الغليان 100.
- بجانب مقياس “سيلزيوس”، يوجد أيضًا مقياس “فهرنهايت”، حيث المسافة بين علامتيه تساوي 180 درجة فهرنهايت، مع نقطة تجمد عند 32 درجة ونقطة غليان عند 212 درجة.
- في القرن العشرين، بدأ استخدام مقياس “كلفن” كمعيار دولي، حيث حدد أدنى نقطة لدرجة الحرارة في الكون عند -273 درجة مئوية، وبالتالي تُعتبر نقطة تجمد الماء عند 273 كلفن ونقطة غليانه 373 كلفن.
درجة تجمد الماء النقي عند الضغط الطبيعي
- تصل درجة حرارة تجمد الماء إلى 0 درجة مئوية، حيث تُشير نقطة التجمد إلى درجة الحرارة التي يتحول عندها السائل إلى حالة صلبة، وتتأثر هذه الدرجة بالضغط، فكلما زاد الضغط، زادت درجة التجمد.
- عند تبريد السائل، تنخفض طاقة الجسيمات حتى تصل إلى نقطة معينة يحدث عندها التجمد، ومن المهم ملاحظة أن الطاقة اللازمة لإذابة مادة صلبة تُعرف بحرارة الاندماج أو الانصهار.
أهم المعلومات عن درجة التجمد للماء
- تعتبر درجة التجمد هي تلك الدرجة التي يتحول عندها السائل إلى صلب.
- عند عملية التبريد، ينخفض معدل طاقة الجسيمات مما يؤدي إلى تقاربها بسبب القوى الجاذبة، مما يتسبب في تصلب المادة.
- حرارة الانصهار تعني الطاقة الضرورية لإذابة المادة الصلبة.
- نقطة التجمد تحدد عند 0 سيلزيوس ودرجة الغليان عند 100، وتم اعتماد هذا المقياس بعد اختراع العالم جان كريستين لمقياس سيلزيوس.
العلاقة بين تجمد الماء وذوبانه
- تُحدد درجة الحرارة التي تتغير عندها حالة الماء بين الصلبة والسائلة كدرجة تجمد أو ذوبان، حيث تمثل نقطة الانصهار درجة الحرارة التي يتحول عندها الماء من صلب إلى جليد.
- تتغير الحالة السائلة من جليد إلى سائل، فيما تُعتبر نقطة التجمد هي تلك الدرجة التي يتحول عندها الماء من سائل إلى صلب.
- نظريًا، تتساوى هاتين الدرجتين عند 0 درجة مئوية أو 32 درجة فهرنهايت، تحت ضغط يعادل 1.
- مع ذلك، يمكن أن تبقى السوائل شديدة البرودة دون أن تتجمد، ويمكن أن يبقى الماء سائلاً في درجات حرارة تصل إلى -40 إلى -42 درجة فهرنهايت، أو بين -4.44 إلى -5.56 درجة مئوية.
- إذا تم وضع الماء في حالة فائقة التبريد أو احتوى على شوائب، يمكن أن تتغير درجة التجمد.
درجة غليان الماء
- تحت ظروف الضغط القياسية عند مستوى سطح البحر، يغلي الماء عند 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت)، ومع ارتفاع درجة حرارة الماء تبدأ الفقاعات في الانتشار في السائل.
- مع استمرار التسخين، ترتفع الفقاعات إلى السطح وتنفجر، وهذه الدرجة ليست ثابتة دائمًا.
- تتغير نقطة غليان الماء أو أي سائل آخر وفقًا لضغط الهواء المحيط؛ فعندما يكون الضغط الداخلي للسائل مساوٍ لضغط الهواء، يحدث الغليان.
- إذا صعدنا الجبال، ستنخفض نقطة الغليان بسبب الضغط المنخفض، بينما إذا انخفضنا تحت مستوى سطح البحر، ستزداد نقطة الغليان نتيجة زيادة الضغط.
درجة انصهار الماء النقي
- تُعرف نقطة الانصهار بأنها الدرجة الثابتة التي تتحول عندها مادة بلورية نقية من حالتها الصلبة إلى السائلة نتيجة الحرارة.
- عند تعرض المادة الصلبة للحرارة، تزداد حرارتها حتى تصل إلى نقطة الانصهار، والتي تُعتبر من الخصائص الدالة على نقاء المواد البلورية.
- تعتمد نقطة انصهار الماء بشكل مباشر على الضغط ونسبة الشوائب، حيث أن ارتفاع محتوى الشوائب يؤدي إلى انخفاض هذه النقطة عن القيمة المتوقعة.
- تقترب نقطة انصهار الماء النقي عند ضغط جوي واحد تقريبًا عند درجة صفر مئوية (273.15 كلفن أو 32 درجة فهرنهايت).