ملخص الخواص الفيزيائية للماء — أولى ثانوي

مقدمة

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — البند 1-3

لماذا يطفو الثلج على سطح الماء؟ ولماذا تبدو رمال الشاطئ في الظهيرة أسخن كثيرًا من مياه البحر، ثم تبقى المياه دافئة بعد الغروب؟ للماء خواص فيزيائية متفردة، مثل تناقص كثافته عند اقترابه من التجمد وارتفاع حرارته النوعية، تؤثر في كثير من الظواهر الطبيعية وفي توزيع الكائنات الحية.

أهداف التعلم

أن تعرّف الكثافة والكثافة النسبية، وتصف قياسها بالهيدروميتر.
أن تفسر السلوك الشاذ للماء بين $0^\circ C$ و $4^\circ C$ وأهميته للكائنات الحية.
أن تميز بين كمية الحرارة ودرجة الحرارة، وتحول بين السيليزية والكلفن.
أن تحسب كمية الحرارة باستخدام $Q_{th} = m\,c\,\Delta t$ ، وتفسر نسيم البحر وأهمية الحرارة الكامنة للتصعيد.

شرح الدرس

الكثافة (Density)

الكثافة: كتلة وحدة الحجوم من المادة عند درجة حرارة معينة، وتعتمد على كتلة الجزيئات والمسافات البينية بينها.

\rho = \frac{m}{V}

كتلة $1\,cm^3$ من الماء النقي عند $4^\circ C$ تساوي $1\,g$ ؛ أي أن كثافته $1\,g/cm^3$ وتعادل بالوحدة الدولية $1000\,kg/m^3$ .
الكثافة النسبية: النسبة بين كثافة مادة وكثافة الماء النقي عند $4^\circ C$ (ليس لها وحدة).

الهيدروميتر (مقياس كثافة السوائل): يعتمد على قانون الطفو؛ فالجسم الطافي يظهر منه جزء أكبر فوق السائل الأعلى كثافة. وهو مستودع زجاجي مجوف محكم الغلق، في جزئه السفلي الأوسع كرات من الرصاص أو الزئبق للاتزان الرأسي، ويتصل بساق زجاجية طويلة رفيعة مدرجة بقيم الكثافة؛ الجزء السفلي من التدريج يشير إلى أعلى كثافة، والعلوي إلى أدناها.

نشاط قياس كثافة عينات الماء: نسكب العينة في أنبوبة اختبار، وندخل الهيدروميتر بحذر دون أن يلامس جوانبها، وندوره برفق للتخلص من الفقاعات، ونتركه يستقر، ثم نقرأ التدريج المقابل لسطح السائل المنحني.

كثافة المياه في المحيطات

تتأثر بـ:

الضغط: في المياه الضحلة لا تتغير الكثافة تقريبًا لأن الماء غير قابل للانضغاط، وفي الأعماق الكبيرة يزداد الضغط فتتقارب الجزيئات وتزيد الكثافة زيادة طفيفة.
الملوحة: كلما زادت الأملاح الذائبة زادت الكثافة.
درجة الحرارة: كلما انخفضت حتى $4^\circ C$ تقاربت الجزيئات وزادت الكثافة، وإذا انخفضت عن $4^\circ C$ قلّت الكثافة مرة أخرى.

واختلاف الكثافة (بسبب الحرارة والملوحة) من أسباب التيارات المائية في المحيطات، التي تنقل الحرارة والملح من المناطق الاستوائية إلى القطبين، والعناصر الغذائية من الأعماق إلى السطح.

السلوك الشاذ للماء وتجمد البحيرات

يزداد حجم معظم السوائل بالتسخين وينكمش بالتبريد، لكن الماء استثناء:

عند تسخين الماء النقي من $0^\circ C$ إلى $4^\circ C$ ينكمش فتزداد كثافته، وتصل إلى أكبر قيمة $1000\,kg/m^3$ عند $4^\circ C$ .
فوق $4^\circ C$ يتمدد فتقل كثافته.

لماذا تتجمد البحيرات القطبية من السطح لا من القاع؟ عندما تنخفض حرارة الهواء من $4^\circ C$ إلى $0^\circ C$ تتمدد المياه السطحية وتصبح أقل كثافة مما تحتها فتبقى أعلى، ثم تتجمد. والجليد أقل كثافة من الماء لأن جزيئاته أكثر تباعدًا، فيطفو ويكوّن طبقة عازلة تمنع تجمد الماء تحته؛ فتستمر الكائنات المائية في العيش.

كمية الحرارة ودرجة الحرارة

الطاقة الداخلية: مجموع طاقة الوضع (نتيجة مواضع الجزيئات) وطاقة الحركة (نتيجة حركتها).
كمية الحرارة: الطاقة المنتقلة من جسم أو إليه أو خلاله عند وجود فرق في درجات الحرارة، ووحدتها الجول (J).
درجة الحرارة: وصف كمي لمدى سخونة أو برودة جسم، وتمثل متوسط طاقة الحركة لجزيئاته، ووحدتها الدولية الكلفن (K).

T\,(K) = t\,(^\circ C) + 273

والزيادة بمقدار $1^\circ C$ تكافئ الزيادة بمقدار $1\,K$ . فالماء يتجمد عند $0^\circ C = 273\,K$ .

الحرارة النوعية (c)

الحرارة النوعية: كمية الحرارة التي يكتسبها $1\,kg$ من المادة لترتفع درجة حرارته بمقدار $1\,K$ ، ووحدتها $J/kg\cdot K$ . وتعتمد على نوع المادة وحالتها الفيزيائية والشوائب الذائبة فيها. وللماء حرارة نوعية مرتفعة (نحو $4200\,J/kg\cdot K$ ) مقارنة بمعظم المواد، بسبب الروابط الهيدروجينية.

Q_{th} = m\,c\,\Delta t

حيث $m$ الكتلة بالكيلوجرام، و $\Delta t$ التغير في درجة الحرارة، و $c$ الحرارة النوعية.

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: احسب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة $0.3\,kg$ من النحاس من $20^\circ C$ إلى $70^\circ C$ ، علمًا بأن الحرارة النوعية للنحاس $390\,J/kg\cdot K$ .

Q_{th} = m\,c\,\Delta t = 0.3 \times 390 \times (70 - 20) = 5850\,J

مثال 2: أُلقيت قطعة ألومنيوم كتلتها $200\,g$ ودرجة حرارتها $80^\circ C$ في ماء، فأصبحت درجة الحرارة النهائية $40^\circ C$ . احسب كمية الحرارة التي اكتسبها الماء، علمًا بأن الحرارة النوعية للألومنيوم $900\,J/kg\cdot K$ .

نحوّل الكتلة: $200\,g = 0.2\,kg$ . وحسب قانون بقاء الطاقة: الحرارة المكتسبة بالماء = الحرارة المفقودة من الألومنيوم.

Q_{Al} = 0.2 \times 900 \times (40 - 80) = -7200\,J

الإشارة السالبة تعني أن الألومنيوم فقد الحرارة، فالماء اكتسب $7200\,J$ .

مثال 3 (مقارنة): أُعطيت كميات حرارة متساوية لأربع عينات متساوية الكتلة، فارتفعت حرارتها 20 و40 و60 و80 درجة. المادة الأكبر حرارة نوعية هي التي ارتفعت 20 درجة فقط؛ لأن $c = \frac{Q}{m\,\Delta t}$ ، فكلما صغر $\Delta t$ كبرت $c$ .

نسيم البحر: في الصيف تكون حرارة الماء (لارتفاع حرارته النوعية) أقل من حرارة الرمال والصخور؛ فيسخن الهواء فوق اليابس وتقل كثافته ويرتفع، فيتحرك الهواء البارد من فوق الماء نحو اليابس ليحل محله، ويسمى نسيم البحر. ولهذا يعتدل المناخ قرب المسطحات المائية الكبيرة.

الحرارة الكامنة للتصعيد

الحرارة الكامنة للتصعيد: الطاقة الحرارية التي يمتصها $1\,kg$ من المادة ليتحول من الحالة السائلة إلى الغازية دون تغير في درجة الحرارة (أو التي ينطلق منه عند تحوله من بخار إلى سائل). وللماء حرارة كامنة مرتفعة لأن تبخيره يتطلب كسر الروابط الهيدروجينية؛ فكمية الطاقة اللازمة لتبخير كتلة من الماء أكبر كثيرًا من اللازمة لتسخينها من $0^\circ C$ إلى $100^\circ C$ . وتستفيد الكائنات من ذلك في تنظيم حرارة أجسامها؛ فعند العرق أو النتح تحمل جزيئات الماء المتبخرة الحرارة بعيدًا عن الجسم.

تأثير الحرارة في الكائنات البحرية

تحتاج معظم الكائنات إلى نطاق محدد من درجات الحرارة، والتغيرات الحادة قد تكون قاتلة خاصة للكائنات الصغيرة جدًّا.
تؤثر تغيرات الحرارة في توزيع الكائنات؛ فالشعاب المرجانية تحتاج درجات حرارة محددة، وقد يؤدي تغير المناخ إلى موتها.
تجعل الحرارة النوعية المرتفعة المحيطات والبحيرات خزانات حرارية ضخمة: تمتص طاقة الشمس نهارًا دون ارتفاع كبير في حرارتها، وتطلقها ببطء ليلًا، فتستقر حرارة البيئة البحرية.

الكائنات ذوات الدم البارد	الكائنات ذوات الدم الدافئ
تعتمد على مصادر خارجية (الشمس والبيئات الدافئة) لتنظيم حرارتها التي تتغير مع حرارة البيئة	تحافظ على حرارة أجسامها ثابتة بعمليات الأيض مهما تغيرت حرارة البيئة
الأسماك والبرمائيات والزواحف وجميع اللافقاريات	الطيور والثدييات

ولهذا نجد كثيرًا من الكائنات ذوات الدم البارد في أعماق البحار حيث الحرارة مستقرة.

ملاحظات مهمة

أكبر كثافة للماء عند $4^\circ C$ وليس عند $0^\circ C$ .
عند إذابة ملح في الماء تزيد كثافته فيطفو الهيدروميتر أكثر، أي يقل الجزء المغمور منه.
كمية الحرارة بالجول، ودرجة الحرارة بالكلفن أو السيليزي.
استخدم الوحدات الدولية في المسائل: الكتلة بالكيلوجرام.
ومن خواص الماء أيضًا التوتر السطحي الناتج عن تجاذب الجزيئات السطحية بالروابط الهيدروجينية، ويجعل القطرات كروية ويسمح لبعض الحشرات بالمشي على الماء.

المفاهيم الأساسية

الكثافة $\rho = \frac{m}{V}$ ، وكثافة الماء $1000\,kg/m^3$ عند $4^\circ C$ ، وتقاس بالهيدروميتر.
شذوذ الماء: ينكمش بين 0 و $4^\circ C$ ، والجليد يطفو ويعزل ما تحته.
$T(K) = t(^\circ C) + 273$ .
$Q_{th} = m\,c\,\Delta t$ ، والماء عالي الحرارة النوعية فيعتدل المناخ وينشأ نسيم البحر.
الحرارة الكامنة للتصعيد مرتفعة للماء، وتساعد في تبريد الكائنات بالعرق والنتح.

ملخص الدرس

للماء خواص فيزيائية فريدة: كثافته أكبر ما يمكن عند $4^\circ C$ وتقل تحتها، فيطفو الجليد ويحمي الحياة تحته، وتتأثر كثافة مياه المحيطات بالضغط والملوحة والحرارة فتنشأ التيارات. والحرارة النوعية المرتفعة للماء تجعله يمتص كميات كبيرة من الحرارة بتغير بسيط في درجته، فيعتدل المناخ وينشأ نسيم البحر، ونحسب كمية الحرارة بالعلاقة $Q_{th} = m\,c\,\Delta t$ . وتسمح حرارته الكامنة المرتفعة للكائنات بتبريد أجسامها بالتبخر، وتستقر بفضله حرارة البيئة البحرية.

أسئلة للتدريب

إذا كانت كثافة الماء $1\,g/cm^3$ عند $4^\circ C$ ، فما كتلة $4\,m^3$ منه؟
فسّر تجمد البحيرات في المناطق القطبية من السطح لا من القاع.
حوّل $25^\circ C$ إلى كلفن.
احسب كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة $0.9\,kg$ من النحاس بمقدار $70^\circ C$ (الحرارة النوعية $390\,J/kg\cdot K$ ).
فسّر حدوث نسيم البحر نهارًا في الصيف.