ما هي درجة انصهار الجليد؟ يتم تعريف الجليد علميا على أنه الماء في حالته الصلبة المتجمدة، ويتحول الماء من الحالة السائلة الطبيعية إلى الحالة الصلبة عندما تنخفض درجة الحرارة وتصل إلى أقل من الصفر المئوي. لذا، سنستعرض اليوم ما هي درجة انصهار الجليد وكل ما يتعلق به.
كم درجة انصهار الجليد؟
- يستند الأساس العلمي لذوبان الجليد إلى درجات الحرارة التي تتعرض لها قطعة الجليد، ويظل الجليد في حالته الصلبة المتجمدة طالما بقيت درجة الحرارة تحت الصفر المئوي.
- يمكن تغيير حالة الماء من هذه الحالة بتغيير درجة الحرارة، وتحول الجليد هو تحوله من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وهو العكس تماما لعملية التجمد.
- عندما يتعرض الجليد لأشعة الشمس مباشرة، يرتفع درجة حرارته ويفقد القوة التي تربط جزيئاته والتي تجعل الماء يتجمد.
- وعند تفكيك هذه الروابط القوية بين الجزيئات، يفقد الماء خاصية التجميد ويتحول بسبب الحرارة إلى حالة الماء السائل.
- يتحول الجليد إلى سائل عندما يصل إلى نفس درجة تجمد الماء، وهي درجة الصفر سيلزيوس أو مئوي، ودرجة انصهار الجليد تساوي حوالي 333.500 جول لكل كيلو جرام من الجليد.
ما هو الجليد وأماكن انتشاره؟
- بعد أن تعرفت على درجة انصهار الجليد، يجب عليك أن تدرك أن الجليد هو الماء في حالته الصلبة، ويتواجد الجليد في مناطق واسعة من سطح الأرض، وأحد أبرز هذه المناطق هو القارة القطبية الجنوبية التي تكسوها الجليد بالكامل.
- يتكون الجليد في بعض المواسم الباردة جدا في بعض الدول المجاورة للقطبين، ومن بين هذه الدول روسيا وأوكرانيا وأيسلندا وشمال كندا وغيرها من الدول المعروفة بالأمطار الجليدية.
- يتشكل الجليد على قمم الجبال الشاهقة بسبب انخفاض درجات الحرارة على تلك القمم بالمقارنة مع السفوح. ونتيجة لذلك، يتجمد الماء في تلك المناطق وتتساقط الأمطار على شكل ثلوج، مثلما يحدث على قمة جبل إفرست.
خواص الجليد
- الثلج هو مادة صلبة غير مستقرة، ليس لها لون مميز، وتتشكل على شكل بلورات شفافة يمكن رؤيتها بسهولة، وتتبلور بترتيب سداسي، وتحتوي على روابط قوية بين جزيئاتها المائية.
- تترابط جزيئات الماء بروابط قوية، مما يجعل الثلج يحتفظ بدرجة حرارته المنخفضة بشكل كبير ويظل في حالته الصلبة، والطريقة الوحيدة لفك هذه الروابط هي زيادة درجة حرارة الثلج.
- يتوسع الماء عند تجمده، ويكون حجم الجليد الذي يتكون أكبر من حجم الماء في الحالة السائلة قبل التجمد، حيث يصل وزن الجليد النوعي إلى 0.9168 نيوتن، في حين يكون وزن الماء النوعي في الحالة السائلة، عند نفس درجة الحرارة، هو 0.9998 نيوتن.
- وبالتالي، فإن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء بشكل عام؛ ولذلك نلاحظ أن الجليد يعوم على سطح الماء في المناطق القطبية المتجمدة.
تأثيرات جيولوجية ناجمة عن تمدد الماء عند تجمده
توجد آثار جيولوجية نتيجة تمدد الماء عند تجمده، ومن هذه التأثيرات الناتجة ما يلي:
- عندما يتسرب الماء إلى الشقوق والفجوات في الصخور المختلفة ويتجمد داخلها، يؤدي ذلك إلى تدهور هذه الصخور، حيث يتمدد الماء ويتسبب في تشويه أشكالها.
- تحدث تغيرات في المسطحات المائية الصغيرة مثل البحيرات والتجمعات المائية وبعض الأنهار الصغيرة، حيث يتجمد جزء من الماء بسبب انخفاض درجة حرارته ثم يتجه نحو القاع ويحل محله بعض الماء الساخن من القاع.
- وبمجرد زيادة درجة حرارة الجو، يتبخر الماء الذي يتساقط من السماء ويتحول إلى بخار، ثم يتجمد عندما يلتقطه الهواء البارد ويكون البحيرات والأنهار طبقة جليدية من الأعلى إلى الأسفل بهذه الطريقة الفريدة.
لماذا كثافة الجليد أقل من الماء؟
- للماء بعض الخصائص العامة المختلفة عن سوائل أخرى، إذ إن كثافته غير طبيعية وغير ثابتة، فتكون أعلى قيمة لكثافة الماء في حالته السائلة وليس في حالته الصلبة كالجليد.
- تتغير كثافة الماء نتيجة تغير درجة الحرارة التي يتعرض لها، أو تكتسبها من البيئة الخارجية، ولكن كتلتها تظل ثابتة، وكذلك السعة أو الحيز الذي يحتله الماء وذلك بالزيادة أو النقصان.
- تزداد قوة اهتزاز جزيئات الماء مع زيادة حرارته، وتقوم بامتصاص كميات كبيرة من الطاقة الحرارية داخلها، مما يؤدي إلى زيادة المسافة بين جزيئات الماء.
- وبهذه الطريقة، تكون السوائل الأكثر حرارة أقل كثافة من حالتها الصلبة ذات الحرارة المنخفضة، ولكن الماء يختلف، حيث يتم تعويض هذا التأثير من خلال الروابط الهيدروجينية (الروابط المائية).
- وتتمثل هذه الروابط في ربط جزيئات الماء مع بعضها البعض، حيث يرتبط كل جزيء بـ 3.4 جزيئات محيطة به. وعندما يصل الماء إلى حالة التجمد، تتشكل جزيئاته عبر نظام بلوري سداسي، حيث يتصلب الماء ويرتبط بقوة، ولكن يزداد المسافة بين الجزيئات.
كثافة الماء
- الكثافة هي خاصية فريدة لكل مادة، وتعبر عن كمية المادة في وحدة الحجم، وتقاس بالجرام لكل مليلتر أو سنتيمتر مكعب، ويمكن التعبير عنها رياضيا بالعلاقة التالية: الكثافة = الكتلة ÷ الحجم.
- على سبيل المثال، إذا كان لدينا كمية من الماء وقمنا بقياس كتلتها ووجدناها 100 جرام، وكذلك قمنا بقياس حجمها وكان 100 مليلتر، في هذه الحالة ستكون الكثافة = 100 جرام ÷ 100 مليلتر = 1 جرام لكل مليلتر.
كيف يتم تكوين الجليد؟
- هناك طاقة مخفية في الماء تجعل جزيئاته قادرة على الحركة المستمرة والمستمرة والدائمة في الحالة السائلة الطبيعية، وهذه الطاقة أكبر من الطاقة الموجودة في جزيئات الماء في حالته الصلبة.
- وهذا يؤدي إلى حركة الجزيئات بشكل أسرع وأكثر قوة في الحالة السائلة، وينتج عنها حرية أكبر مقارنة بالحالة الصلبة، وهذا يؤدي إلى انتشارها في الفضاء الذي يحتوي على الماء.
- ومع تبريد الماء، ينخفض تدريجيا مستوى الطاقة الموجودة بين الجزيئات، مما يؤدي إلى تقليل حركتها تدريجيا مع انخفاض درجة الحرارة.
- عندما يصل الماء إلى درجة الصفر المئوية، وهي درجة تجمد الماء، تصبح جزيئاته متلاصقة.
- والجزيئات تكاد لا تتحرك في هذه الحالة، مما يؤدي إلى تجمد الماء وتحوله إلى الجليد، وتصبح حركة الجزيئات غير مرئية للعين المجردة.
مفهوم درجة الحرارة
- درجة الحرارة تعكس حرارة أو برودة الجسم، وهناك معايير متعددة لقياسها، ويمكننا أيضا معرفة الاتجاه الذي تنبعث منه الحرارة للأجسام المختلفة.
- تتحرك الحرارة من الكائن الحار إلى الكائن الأبرد، ولا يمكن أن تكون الطاقة الميكانيكية لجزيئات الكائن أو حجمها متساوية مع درجة الحرارة.
- على سبيل المثال، إذا كان لديك عود ثقاب مشتعل، فإنك تمتلك كمية حرارية أعلى من جبل جليدي شاهق الارتفاع، على الرغم من أن الطاقة الحرارية الكلية للجبل الجليدي تكون أعلى بكثير من العود الثقاب.
- وتشتمل درجة حرارة الجسم بأكمله، ويشترك ذلك مع خصائص أخرى تتمتع بنفس الخاصية الشاملة مثل الضغط والكثافة، وهذه الخاصية لا تتغير مع تغير كمية المادة من حيث الكتلة أو الحجم.
درجة الانصهار والحرارة الكامنة للانصهار
- تعتبر درجة الانصهار درجة الحرارة التي يتحول فيها المادة من الحالة الصلبة المتجمدة إلى الحالة السائلة الأكثر سيولة، وهي خاصية فريدة لكل مادة وتختلف من مادة إلى أخرى.
- تذوب المواد الصلبة المتبلورة بشكل نقي عند درجات حرارة مختلفة وفقا للروابط بين جزيئاتها، وذلك تحت ظروف الضغط والحرارة والرطوبة القياسية.
- عندما يتعرض المادة الصلبة لمصدر حرارة لفترة زمنية محددة وبشكل مستمر، نشاهد تحول المادة إلى الحالة السائلة، وفي هذا الوقت تتثبت درجة حرارة المادة وتبقى كذلك حتى تتحول المادة إلى الحالة السائلة.
- السبب الحقيقي لعدم زيادة درجة حرارة المادة الصلبة هو امتصاصها للحرارة في عملية تحويل المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. وبالتالي، لا يتبقى شيء من الحرارة المتاحة لزيادة درجة حرارة المادة في الأجزاء السائبة.
- ينتهي هذا التوقف عندما تصبح المادة بالكامل في حالتها السائلة، وبعد ذلك ومع تعرض المادة لمزيد من الطاقة الحرارية، نلاحظ زيادة في درجة حرارتها بشكل طبيعي مرة أخرى.
ما لا تعرفه عن الحرارة الكامنة لانصهار أي مادة
- الطاقة الحرارية المخزونة لانصهار أي مادة هي كمية الحرارة اللازمة لتحويل جرام واحد من هذه المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وهذه خاصية فريدة تختلف من مادة إلى أخرى.
- يحتاج الجليد إلى حوالي 80 سعرة حرارية لذوبان جرام واحد منه وتحويله إلى ماء سائل، وبالتالي يستخدم الثلج في أجهزة التبريد للطعام؛ لأن درجة انصهاره عالية، مما يسمح له بالاحتفاظ ببرودته لفترة أطول ممكنة.
- عند تجمد الماء وتحوله من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، تفقد الحرارة خلال عملية التحول، ويكون كمية الحرارة المفقودة تساوي الحرارة التي يحتاجها الجليد للذوبان.
- تؤثر العديد من العوامل على درجة انصهار المواد بشكل عام، بما في ذلك الضغط الجوي حيث ترتفع درجة الانصهار مع زيادة الضغط، وبذلك ترتفع درجة الحرارة المطلوبة لتحويل المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
- وبهذه الطريقة أيضا، يتأثر نقطة انصهار المادة ودرجة حرارتها والطاقة المطلوبة لعملية الانصهار بعامل آخر، وهو نقاء المادة وخلوها من الشوائب والرواسب التي تؤثر على تركيبها الفيزيائي.
- بالإضافة إلى ذلك، تؤثر تعقيدية التركيب الكيميائي للمادة على درجة انصهارها، ففي المادة التي تتألف من عنصر واحد فقط، يحدث الانصهار بشكل سلس ومتجانس.
- بخصوص المادة التي تحتوي على تركيبة من عدة عناصر مشتركة في جزيء المادة، فإنها تنصهر بشكل غير متجانس. واعتمد الباحثون على هذه الفكرة العلمية لتحديد نقاء المواد.
- يتم ذلك عن طريق صهرها مرارا وتكرارا، فإذا بقيت درجة انصهارها ثابتة في كل مرة، فإن المادة تكون نقية، أما إذا تغيرت درجة انصهارها في كل مرة، فإنها تكون غير نقية.
هكذا تعرفنا على خصائص الماء الحرارية من خلال مقال يتحدث عن درجة انصهار الجليد. إجمالا، عرفنا مدى درجة انصهار الجليد، واستعرضنا أماكن انتشار الجليد في جميع أنحاء العالم، وكيف يؤثر استخدام الثلج في التبريد على تشوهات الصخور في تلك المناطق.
