حالت های ماده – به زبان ساده

در ادامه این مطلب از مجله فرادرس با ما همراه باشید تا کمی بیشتر به بررسی حالت های ماده بپردازیم. لازم به ذکر است که سطح این مقاله عمومی بوده و سعی بر این داشته‌‌ایم تا از به کار بردن اصطلاحات خاص و سطح بالا اجتناب کنیم.

حالت های ماده چیست؟

به صورت کلی، برای ماده ۴ حالت جامد، مایع، گاز و پلاسما تعریف شده است. هر یک از این حالت‌ها ویژگی‌های خاصی دارند که در ادامه بررسی می‌شود. به نظر شما چه چیزی باعث می‌شود که ماده در حالت‌های مختلفی وجود داشته باشد؟ اگر پاسختان تنها دما (درجه حرارت) است، باید بگوییم که عواملی بیش از دما در حالت های ماده تاثیر گذار هستند.

شبیه ساز حالت های ماده

در ویدیوی کوتاه شبیه‌ساز دانشگاه کلرادو حالت‌های مختلف ماده را می‌بینید و تغییرات بین آن‌ها را درک می‌کنید. این ابزار نشان می‌دهد چه اتفاقی برای ذرات می‌افتد وقتی ماده از جامد به مایع یا از مایع به گاز تبدیل می‌شود، چگونه دما و انرژی باعث تغییر نحوه چینش و حرکت ذرات می‌شود و چه تفاوت‌هایی بین این حالت‌ها وجود دارد. همچنین می‌توانید ببینید چگونه با کاهش دما ذرات به هم نزدیک‌تر شده و به حالت‌های دیگر منتقل می‌شوند.

حالت‌های مختلف ماده و برخی از مثال های آن‌ها به شرح زیر هستند.

• جامد: مانند یخ، شکر، نمک، اشیا فلزی و ...
• مایع: مانند آب، شیر، باران، آبمیوه، عسل و ...
• گاز: مانند هوا،‌ بخار آب، گاز کربن دی اکسید و ...
• پلاسما: مانند پلاسمای خورشید

جامد چیست؟

فیلم آموزش فیزیک پایه دهم 1 در فرادرس

کلیک کنید

مایع چیست؟

بدیهی است که گرفتن گرما از مایعات، یعنی کاهش دمای آن‌ها باعث می‌شود که اتم‌ها آزادی عمل خود را از دست داده و پیوند‌های قوی‌تری با یکدیگر برقرار کنند. کاهش دمای مایعات تا نقطه انجماد، باعث تبدیل حالت ‌آن‌ها به جامد می‌شود.

گاز چیست؟

در واقع در یک گاز، اتم‌ها آزادانه به هر سمتی حرکت می‌کنند. به عبارت دیگر، اتم‌ها حرکتی کاتوره‌ای دارند. اگر گاز‌ها را تحت فشار خیلی زیاد نگه دارید یا بتوانید دمای آن‌ها را یکباره پایین بیاورید، اتم‌های آن‌ها می‌توانند دوباره با یکدیگر پیوند تشکیل دهند و در نتیجه تبدیل به مایع یا جامد شوند.

شبیه ساز حالت ماده

در ادامه شبیه‌ساز حالت ماده و تغییر آن که توسط دانشگاه کولورادو تدوین شده است را درج کرده‌ایم. با استفاده از این شبیه‌ساز، می‌توانید حالت‌های مواد مختلفی مانند آب، نئون، اکسیژن و ... را بررسی کرده و با استفاده از شبیه ساز تغییر حالت، اثر فشار، دما و حجم را بر تغییر حالت این مواد بررسی کنید. همچنین می‌توانید نمودار فاز مواد انتخاب شده را مشاهده کنید.

تبدیل حالت های ماده

برای آنکه بتوانید حالت‌‌های مختلف یک ماده را پدید بیاورید، نیاز است تا تغییرات شدید‌‌تری در دما و فشار ایجاد کنید. به عبارت دیگر به طور طبیعی در شرایط آب و هوایی کره زمین شما نمی‌توانید مواد نظیر آب را در ۳ حالت گاز، مایع و یا جامد یکباره داشته باشید. مگر اینکه با صرف کار به آن‌ها انرژی بدهید یا انرژی بگیرید.

به طور مثال اگر به ظرف حاوی آب گرما دهیم رفته رفته شروع به تبخیر شدن می‌کند. توجه داشته باشید که دمای جوش و انجماد مواد، دمای ثابتی نبوده و در فشارهای مختلف تغییر می‌کند. به طور مثال ممکن است که آب در مکانی که فشار هوا کم‌تر است، در دمای ۹۸ درجه سانتی‌گراد به جوش آید. لازم به ذکر است که دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد که عموماً آن را نقطه جوش استاندارد آب می‌دانند، در فشار هوای نزدیک سطح دریا ($$10^{5}\ Pa$$) به عنوان یک استاندارد تعیین شده است.

همچنین به یاد داشته باشید عمل تبخیر تنها در دمای جوش رخ نمی‌دهد. به طور مثال اگر دقت کرده باشید، در حمام‌ آب گرم با دمایی بین ۴۰ تا ۶۰ درجه نیز بخار آب موجود است. دلیل این امر این است که مولکول‌های سطحی آب می‌توانند با انرژی کمتری پیوندشان را با سایر مولکول قطع کرده و از آب جدا شوند. روند تبخیر در نقطه جوش با بالاترین سرعت ممکن اتفاق می‌افتد.

در شکل زیر طرح‌واره تبدیل حالت های ماده به یکدیگر آمده است. لازم به ذکر است که برخی منابع عبارت تغییر فاز را به جای عبارت تغییر حالت به کار می‌برند.

شکل فوق را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• ذوب (Melting): تبدیل حالت جامد به مایع
• انجماد (Freezing): تبدیل حالت مایع به جامد
• تبخیر (Evaporation): تبدیل حالت مایع به گاز
• میعان (Condensation): تبدیل حالت گاز به مایع
• تصعید (Sublimation): تبدیل حالت جامد به گاز
• چگالش (Deposition): تبدیل حالت گاز به جامد

حالت چهارم ماده: پلاسما

شاید شنیده باشید که حالت های ماده تنها جامد، مایع و گاز نبوده و حالت دیگری موسوم به حالت چهارم ماده یا پلاسما وجود دارد. دیدیم که با دادن انرژی (گرما) می‌توانیم جامد را به مایع و مایع را گاز تبدیل کنیم. حال اگر به دادن انرژی ادامه دهیم چه اتفاقی می‌افتد؟

فیلم آموزش ترمودینامیک 1 در فرادرس

کلیک کنید

نظریه جنبشی

یکی از راه‌های درک و بررسی حالت های ماده (نظیر جامد، مایع، گاز و حتی پلاسما)، بررسی مقدار انرژی موجود در آن‌ها است. یک بادکنک پر شده از گاز نظیر هلیوم (نوعی گاز نجیب) را در نظر بگیرید. مولکول‌های گاز درون بادکنک مدام در حال حرکت و برخورد با یکدیگر هستند. دقت داشته باشید که می‌توان دیواره بادکنک را در حال تعادل در نظر گرفت؛ چرا که نیرویی که مولکول‌های گاز به دیواره داخلی وارد می‌کنند، با نیرویی که مولکول‌های هوا به دیواره خارجی وارد می‌کنند، برابر است. به عبارت دیگر می‌توان گفت که فشار گاز داخل بادکنک با فشار هوای بیرون در تعادل است.

بیان کردیم که مولکول‌های گاز مدام در حال حرکت و جنب و جوش هستند. بدیهی است که این مولکول‌ها هم جرم دارند و هم سرعت، در نتیجه دارای انرژی جنبشی هستند. حال رفته رفته بادکنک را گرم می‌کنیم. با این کار، مولکول‌های گاز انرژی گرمایی را جذب کرده و انرژیشان بیشتر می‌شود. در نتیجه سرعت حرکتشان بیشتر شده و در نتیجه فشار بیشتری به دیواره‌های داخلی بادکنک وارد می‌کنند. با این کار بادکنک منبسط می‌شود. در جهت عکس نیز، با قرار دادن یک بادکنک پر از گاز یا هوا در محیطی سرد، می‌توانید آن را کمی منقبض کنید، چرا که انرژی مولکول‌ها کاهش یافته و در نتیجه انرژی جنبشی و سرعت حرکت آن‌ها کاهش می‌یابد.

مفهوم صفر مطلق

در صورتی که مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر از سایت و مجله فرادرس نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش شیمی عمومی
• مجموعه آموزش‌های شیمی
• تعریف گرما و دما در ترمودینامیک — به زبان ساده
• معادله شرودینگر -- به زبان ساده
• میزر (Maser) چیست؟ — به زبان ساده

^^