أهداف التعلم

• أن تعرّف مخطط الطور وتحدد مناطقه الثلاث ومنحنياته الثلاثة.
• أن تحدد النقطة الثلاثية والنقطة الحرجة وتفسر دلالة كل منهما.
• أن تتنبأ بحالة مادة عند درجة حرارة وضغط معلومين، وبتغير الحالة عند تحرك مسار على المخطط.
• أن تقارن بين مخطط الطور للماء ولثاني أكسيد الكربون، وتفسر الاختلاف في ميل منحنى الانصهار.
• أن تذكر تطبيقات المائع فوق الحرج.

شرح الدرس

ما مخطط الطور؟

تتحدد حالة المادة النقية (صلبة أو سائلة أو غازية) بدرجة الحرارة والضغط معًا. مخطط الطور تمثيل بياني محوره الأفقي درجة الحرارة ومحوره الرأسي الضغط، ويبيّن الحالة التي توجد عليها المادة عند كل زوج من القيمتين.

المناطق والمنحنيات

ينقسم المخطط إلى ثلاث مناطق (صلب، سائل، غاز) تفصل بينها ثلاثة منحنيات. على كل منحنى توجد الحالتان المتجاورتان معًا في اتزان ديناميكي:

منحنى ضغط البخار هنا هو نفسه منحنى ضغط البخار الذي درسناه في الدرس السابق.

النقاط المهمة

• النقطة الثلاثية: نقطة تقاطع المنحنيات الثلاثة. عند درجة حرارتها وضغطها فقط توجد المادة بحالاتها الثلاث معًا في اتزان.
• النقطة الحرجة: الطرف العلوي لمنحنى ضغط البخار. عندها يختفي الفرق بين السائل والغاز.
• المائع فوق الحرج: حالة المادة عند درجة حرارة وضغط أعلى من النقطة الحرجة؛ لها خواص وسيطة، فهي تخترق المسام كالغاز وتذيب المواد كالسائل.

مخطط الطور للماء

• عند $1\ \text{atm}$ نقطع منحنى الانصهار عند $0\,^{\circ}\text{C}$ ومنحنى ضغط البخار عند $100\,^{\circ}\text{C}$.
• منحنى الانصهار للماء يميل إلى اليسار: زيادة الضغط تخفض درجة انصهار الجليد قليلًا. السبب أن كثافة الماء السائل أكبر من كثافة الجليد، فالضغط يشجع التحول إلى الحالة الأكثف (السائل).
• النقطة الثلاثية للماء تقع عند ضغط منخفض جدًّا (أقل من $1\ \text{atm}$) ودرجة حرارة قريبة من $0\,^{\circ}\text{C}$.

مخطط الطور لثاني أكسيد الكربون

• منحنى الانصهار يميل إلى اليمين (كمعظم المواد): زيادة الضغط ترفع درجة الانصهار، لأن الصلب أكثف من السائل.
• النقطة الثلاثية تقع عند ضغط أعلى من $1\ \text{atm}$؛ لذلك لا يوجد $\text{CO}_2$ سائل عند الضغط الجوي، وعند تسخين الثلج الجاف في الهواء يعبر منحنى التسامي فيتحول مباشرة إلى غاز.

قراءة المسارات على المخطط

• مسار أفقي نحو اليمين (ضغط ثابت ودرجة حرارة تزداد): صلب ← سائل ← غاز، أي انصهار ثم غليان (إذا كان الضغط أعلى من ضغط النقطة الثلاثية).
• مسار رأسي لأعلى (درجة حرارة ثابتة وضغط يزداد): غاز ← سائل (تكثف) أو غاز ← صلب (ترسيب) حسب درجة الحرارة.
• مسار رأسي لأسفل داخل منطقة السائل: خفض الضغط يؤدي إلى الغليان عند عبور منحنى ضغط البخار.

أسئلة للتدريب

1. ما الحالات الموجودة عند النقطة الثلاثية؟ وما الذي يميز النقطة الحرجة؟
2. على مخطط الطور للماء: صف ما يحدث عند تسخين جليد من $-10\,^{\circ}\text{C}$ إلى $120\,^{\circ}\text{C}$ عند ضغط $1\ \text{atm}$.
3. لماذا لا نرى ثاني أكسيد الكربون سائلًا عند الضغط الجوي؟
4. ارسم على مخطط طور مسارًا يمثل التكثف، وآخر يمثل الترسيب.
5. اذكر ميزتين لاستخدام المائع فوق الحرج مذيبًا في الصناعة.