محاضرة الحادية عشر / انثالبي التغيرات الفيزيائية – الكيمياء للصف السادس

إنثالبي التغيرات الفيزيائية

مقدمة

الطاقة تلعب دورًا أساسيًا في كل عملية تحدث في الطبيعة، سواء كانت تفاعلًا كيميائيًا أو تغييرًا في الحالة الفيزيائية لمادة معينة. من بين المفاهيم المهمة في الكيمياء والفيزياء هو الإنثالبي (Enthalpy)، والذي يُستخدم لوصف التغيرات الطاقية في مختلف العمليات. عندما يتعلق الأمر بالتغيرات الفيزيائية، وليس الكيميائية، فإننا نتحدث عن إنثالبي التغيرات الفيزيائية، وهو الموضوع الأساسي لهذا المقال.

ما هو الإنثالبي؟

الإنثالبي، ويرمز له بالرمز $H$، هو مقياس لمجموع الطاقة الداخلية في النظام بالإضافة إلى الطاقة الناتجة عن الضغط والحجم. لا يمكن قياس الإنثالبي مباشرة، لكن يمكن قياس التغير في الإنثالبي ($\Delta H$) أثناء العمليات.

ما هي التغيرات الفيزيائية؟

التغيرات الفيزيائية هي العمليات التي لا يتغير فيها التركيب الكيميائي للمادة، بل يتغير شكلها أو حالتها الفيزيائية فقط. من أبرز الأمثلة على التغيرات الفيزيائية:

• الانصهار (تحول المادة من صلب إلى سائل)
• التجمد (تحول السائل إلى صلب)
• التبخر أو الغليان (تحول السائل إلى غاز)
• التكثف (تحول الغاز إلى سائل)
• التسامي (تحول الصلب إلى غاز مباشرة)
• الترسيب (تحول الغاز إلى صلب مباشرة)

كل واحدة من هذه العمليات تتطلب أو تطلق طاقة، وهذه الطاقة تُقاس على شكل تغير في الإنثالبي.

أنواع إنثالبي التغيرات الفيزيائية

فيما يلي أبرز أنواع الإنثالبي المرتبطة بالتغيرات الفيزيائية:

1. إنثالبي الانصهار (Enthalpy of Fusion)

هو كمية الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من مادة صلبة إلى سائلة عند درجة انصهارها، دون تغيير في درجة الحرارة.

• الرمز: $\Delta H_{\text{fus}}$
• مثال: انصهار الجليد إلى ماء عند 0°C
• القيمة تكون موجبة لأن العملية ماصة للحرارة

$$H_2O(s) \rightarrow H_2O(l) \quad \Delta H_{\text{fus}} = +6.01 \, \text{kJ/mol}$$

2. إنثالبي التجمد (Enthalpy of Solidification)

هو كمية الحرارة التي تُطلق عندما يتحول مول واحد من مادة سائلة إلى صلبة عند نقطة التجمد.

• الرمز: $\Delta H_{\text{solid}}$
• هذه العملية طارِدة للحرارة، لذا القيمة سالبة.
• العلاقة:

$$\Delta H_{\text{solid}} = -\Delta H_{\text{fus}}$$

3. إنثالبي التبخر (Enthalpy of Vaporization)

هو كمية الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من مادة سائلة إلى غاز عند درجة غليانها.

• الرمز: $\Delta H_{\text{vap}}$
• العملية ماصة للحرارة
• مثال: تبخر الماء عند 100°C

$$H_2O(l) \rightarrow H_2O(g) \quad \Delta H_{\text{vap}} = +40.7 \, \text{kJ/mol}$$

4. إنثالبي التكثف (Enthalpy of Condensation)

هو كمية الحرارة المنطلقة عندما يتحول مول واحد من غاز إلى سائل عند نفس درجة الغليان.

• الرمز: $\Delta H_{\text{cond}}$
• العملية طاردة للحرارة
• العلاقة:

$$\Delta H_{\text{cond}} = -\Delta H_{\text{vap}}$$

5. إنثالبي التسامي (Enthalpy of Sublimation)

هو كمية الحرارة المطلوبة لتحويل مول واحد من مادة صلبة إلى غاز مباشرة، دون المرور بالحالة السائلة.

• الرمز: $\Delta H_{\text{sub}}$
• مثال: تسامي الجليد الجاف ($CO_2$)

$$CO_2(s) \rightarrow CO_2(g) \quad \Delta H_{\text{sub}} = +25.2 \, \text{kJ/mol}$$

6. إنثالبي الترسيب (Enthalpy of Deposition)

هو الحرارة المنطلقة عند تحول الغاز إلى صلب مباشرة.

• الرمز: $\Delta H_{\text{dep}}$
• العلاقة:

$$\Delta H_{\text{dep}} = -\Delta H_{\text{sub}}$$

العوامل المؤثرة على إنثالبي التغيرات الفيزيائية

1. نوع المادة: كل مادة لها قيم خاصة بها من إنثالبي التغيرات، بناءً على تركيبها الجزيئي.
2. درجة الحرارة: القيم القياسية تُقاس عادة عند $25^\circ C$، ولكن التغيرات يمكن أن تختلف عند درجات حرارة مختلفة.
3. الضغط: خاصة في التغيرات التي تشمل الغازات.
4. الكتلة أو كمية المادة: الإنثالبي يُقاس غالبًا لكل مول، لكن في التطبيقات العملية يُحسب الإجمالي بناءً على عدد المولات.

تطبيقات إنثالبي التغيرات الفيزيائية

1. في الحياة اليومية

• تبريد المشروبات بالثلج: عند ذوبان الثلج، يمتص حرارة من المشروب مما يجعله أبرد.
• التبريد بالتبخر: عند تبخر العرق، يتم امتصاص حرارة من الجسم، مما يساعد على التبريد.

2. في الصناعة

• تصميم أنظمة التبريد والتكييف يعتمد على فهم دقيق لإنثالبي التبخر والتكثف.
• تخزين الطاقة في مواد تتغير حالتها (مثل الثلج في أنظمة التبريد الليلي).

3. في الكيمياء والفيزياء

• حساب الطاقة اللازمة لفصل مكونات الخليط بالحرارة.
• تصميم التجارب الحرارية وتحليل النتائج.

الفرق بين التغيرات الفيزيائية والكيميائية من حيث الإنثالبي

مخططات الطاقة

يمكن توضيح التغير في الإنثالبي باستخدام مخططات الطاقة. على سبيل المثال:

• في حالة الانصهار أو التبخر: ترتفع الطاقة الكامنة دون تغيير في درجة الحرارة.
• في حالة التجمد أو التكثف: تنخفض الطاقة الكامنة وتنطلق حرارة.

خاتمة

إنثالبي التغيرات الفيزيائية هو أداة مهمة لفهم كيفية انتقال الطاقة في العمليات التي لا يتغير فيها تركيب المادة. سواء كانت ماءً يتحول إلى بخار، أو جليدًا يذوب، فإن هذه التغيرات تحكمها قوانين الطاقة وتحددها قيم الإنثالبي. وهذا الفهم ضروري ليس فقط في العلوم النظرية، بل أيضًا في التطبيقات العملية في الطب، والصناعة، والهندسة، وحتى في الحياة اليومية.