الخواص الفيزيائية للماء: الكثافة والكثافة النسبية والحرارة النوعية والحرارة الكامنة للتصعيد

ليه البحيرة في الشتا بتتلج من فوق بس، والسمك بيفضل عايش تحت؟ وليه الشط بيفضل دافي بالليل؟ السبب إن المية عندها خواص فيزيائية «غريبة» مش موجودة في أغلب السوائل. الدرس ده بيتكلم عن تلاتة منهم: الكثافة، والحرارة النوعية، والحرارة الكامنة للتصعيد.

أولًا: الكثافة

الكثافة: كتلة وحدة الحجوم من المادة.

القانون:

الكثافة = الكتلة ÷ الحجم

الوحدات: الوحدة الدولية kg/m³، وكمان بنستخدم g/cm³ وg/L. وللمعلومة: الكثافة بوحدة g/L بتساوي نفس الرقم بوحدة kg/m³.

بتعتمد على إيه؟ على كتلة الجزيئات والمسافات بينها. لكنها مش بتتغير لو غيّرت كتلة أو حجم العينة نفسها، عشان كده الكثافة خاصية مميزة للمادة النقية: حتة حديد صغيرة وحتة كبيرة ليهم نفس الكثافة.

مثال محلول

مكعب كتلته 270 g وحجمه 100 cm³. كثافته؟

الكثافة = 270 ÷ 100 = 2.7 g/cm³

ثانيًا: الكثافة النسبية

بدل ما نقول الكثافة بوحدة، ممكن نقارنها بكثافة المية:

الكثافة النسبية = كثافة المادة ÷ كثافة الماء

وبما إنها قسمة كثافة على كثافة، الكثافة النسبية ملهاش وحدة.

مثال: المكعب اللي فوق كثافته 2.7 g/cm³، وكثافة المية حوالي 1 g/cm³، يبقى كثافته النسبية = 2.7. يعني أتقل من نفس الحجم من المية بـ 2.7 مرة، فهيغطس.

وأي مادة كثافتها النسبية أقل من 1 هتطفو على المية، والجزء اللي بيغطس منها بيساوي تقريبًا كثافتها النسبية. يعني خشبة كثافتها النسبية 0.6، حوالي 60٪ من حجمها بيبقى تحت المية.

الهيدروميتر

الهيدروميتر: جهاز بنقيس بيه كثافة السوائل.

فكرته قاعدة الطفو: في السائل الأعلى كثافة، جزء أقل منه بيغطس. وفي السائل الأقل كثافة، جزء أكبر بيغطس. فبنقرا الكثافة من التدريج اللي عند سطح السائل.

شذوذ الماء: ليه الجليد بيطفو؟

أغلب السوائل لما تبرد، جزيئاتها بتقرّب من بعض والكثافة بتزيد. والمية كمان بتعمل كده، لحد 4 °س. بعدها، من 4 °س لصفر، المية بتتمدد وكثافتها بتقل. ودي اسمها شذوذ الماء.

السبب: الروابط الهيدروجينية القوية بين جزيئات المية بترتّبها في شكل مفتوح فيه فراغات. عشان كده كثافة الجليد أقل من كثافة المية السائلة، فالجليد بيطفو.

النتيجة المهمة: المسطحات المائية في المناطق الباردة بتتجمد من السطح مش من القاع. طبقة الجليد فوق بتعزل المية اللي تحتها، فالكائنات بتقدر تعيش تحت الجليد.

ثالثًا: الحرارة النوعية

الحرارة النوعية: كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة معينة من المادة (1 kg أو 1 g) درجة واحدة سيليزية.

الحرارة النوعية للمية عالية مقارنة بأغلب المواد: حوالي 4180 J/kg·°س (يعني تقريبًا 4.18 J/g·°س، أو 1 سعر/جرام·°س).

يعني إيه في الحياة؟ المية بتسخن ببطء وبتبرد ببطء. عشان كده:

• البحار والمحيطات بتلطّف جو المناطق الساحلية: الجو عند الشط أقل حر في الصيف وأقل برد في الشتا.
• المية بتستخدم في تبريد موتورات العربيات.
• جسمنا، اللي أغلبه مية، بيقاوم التغير السريع في درجة حرارته.

رابعًا: الحرارة الكامنة للتصعيد

الحرارة الكامنة للتصعيد: كمية الحرارة اللازمة لتحويل كتلة معينة من السائل (1 kg) عند درجة غليانه إلى بخار، من غير ما درجة حرارته تتغير.

وحدة قياسها: J/kg (جول لكل كيلوجرام)، وأحيانًا J/g.

قيمتها للمية عالية جدًا: حوالي 2.26 × 10⁶ J/kg (يعني حوالي 2260 J لكل جرام، أو حوالي 540 سعر لكل جرام).

ليه اسمها «كامنة»؟ لأنك بتدّي المية حرارة وهي بتغلي، والترمومتر بيفضل واقف عند 100 °س. الحرارة دي «مستخبية»، بتروح في كسر الروابط بين الجزيئات عشان تتحول لبخار، مش في رفع درجة الحرارة.

يعني إيه في الحياة؟

• العرق بيبرّد الجسم: المية وهي بتتبخر من الجلد بتسحب كمية كبيرة من الحرارة.
• حرق البخار أخطر من حرق المية المغلية عند نفس الدرجة: البخار وهو بيتكثف على الجلد بيطلّع الحرارة الكامنة كلها.

الملخص

أسئلة تدريب

١. ........ هي كتلة وحدة الحجوم من المادة.

الإجابة: الكثافة.

٢. ما وحدة قياس الكثافة النسبية؟

الإجابة: ملهاش وحدة، لأنها نسبة بين كثافتين.

٣. احسب كثافة مادة كتلتها 50 g وحجمها 20 cm³، وهل تطفو على الماء؟

الإجابة: الكثافة = 50 ÷ 20 = 2.5 g/cm³، وكثافتها النسبية 2.5، يعني أكبر من 1، فهتغطس.

٤. علّل: البحيرات في المناطق الباردة بتتجمد من السطح.

الإجابة: لأن المية من 4 °س لصفر بتتمدد وكثافتها بتقل (شذوذ الماء)، فالمية الأبرد والجليد يطفوا فوق، والمية الأدفى والأكثف تفضل تحت.

٥. ما وحدة قياس الحرارة الكامنة للتصعيد؟

الإجابة: جول لكل كيلوجرام (J/kg).

٦. علّل: العرق يبرّد جسم الإنسان.

الإجابة: لأن الحرارة الكامنة لتصعيد المية عالية، فلما العرق يتبخر بيسحب كمية كبيرة من حرارة الجسم.

الخلاصة

المية مش سائل عادي: أكثف ما تكون عند 4 °س فالجليد بيطفو، وحرارتها النوعية عالية فبتسخن وتبرد ببطء، وحرارتها الكامنة للتصعيد عالية فالتبخر بيبرّد. الخواص دي هي اللي بتخلي الحياة في المية وعلى الأرض ممكنة.

جرّب تبرّد بحيرة بنفسك وتشوف الجليد بيتكوّن فين، وتقيس كثافة مكعبات مختلفة، في درس الخواص الفيزيائية للماء. وفيه كمان فيديوهات قصيرة عن الكثافة والحرارة الكامنة للتصعيد.