تعريف-التسامي

الحالة الفيزيائية للمادة

يُشير علم الفيزياء إلى مفهوم حالة المادة بأنّه إحدى الأشكال المميّزة التي يُمكن أن تُوجد على صورتها المواد الكيميائيّة المختلفة، ويُمكن ملاحظة العديد من حالات المادّة في الحياة اليوميّة كالحالة الصلبة والسائلة والغازيّة والبلازما، كما يُوجد العديد من الحالات الوسطيّة للمواد كالبلازما السائلة بالإضافة لبعض الحالات التي لا تُوجد إلّا تحت ظروف اسثنائيّة شديدة كالبرد الشديد أو الكثافة الشديدة أو ارتفاع الطاقة الشديد ومنها حالة تكاثف بوز آينشتاين، وتختلف طرق تحويل المادّة عن بعضها البعض بالعديد من الخصائص؛ حيث يختلف تعريف التسامي عن تعريف التبخّر وغيرها من الطرق الأخرى الخاصّة بتحويل حالات المادة.^[١]

تحول حالة المادة

يُشير المفهوم الفيزيائيّ لمصطلح تحول حالة المادّة إلى تغيّر طور العيّنة المكوّنة من مادةٍ ما، ويتميّز هذا التحول بأنّه مثال على التغيّرات الفيزيائيّة للمواد، ويُعرف أيضًا باسم انتقال حالة المادة أو طور المادة من حالةٍ إلى أخرى، فعلى سبيل المثال قد تتحوّل حالة الماء من السائلة إلى الغازيّة أو البخار، كما قد يُبرّد الشمع المُذاب حتّى يتحوّل إلى قوالب صلبة،^[٢] وقد تتحوّل كل مادّة من حالةٍ إلى أخرى بين الحالات المتاحة كالسائلة والصلبة والغازيّة؛ حيث تُوجد كل مادة في إحدى الحالات الفيزيائيّة ضمن وجود درجة حرارة معيّنة، وتختلف قيمة درجة الحرارة أو الضغط المطلوبين لتغيير حالة المادّة من مادةٍ إلى أخرى اعتمادًا على القوى بين الجزيئيّة التي تؤثّر على الجزيئات والذرّات المكوّنة للمادة، كما قد تُوجد إحدى المواد في حالتين فيزيائيتين في نفس الوقت والمكان ويحدث ذلك عادةً أثناء تحوّل المادّة من حالةٍ إلى أخرى.^[٣]

سبب تحول حالة المادة

قبل البدء في تعريف التسامي لا بُد من التحدّث عن أسباب تحوّل حالة المواد؛ حيث تحدث عمليّة تحويل حالة المادة من حالةٍ إلى أخرى عندما تتغيّر قيم درجة الحرارة أو الضغط الخاصّة بالنظام، حيث تبدأ الجزيئات بالتفاعل مع بعضها البعض بشكلٍ أكبرٍ عندما ترتفع قيم درجة الحرارة أو الضغط، أمّا عندما ترتفع قيم الضغط وتنخفض قيم درجة الحرارة سيكون من الأسهل على الذرّات والجزيئات أن تستقر وتشكّل بُنية جامدة، أمّا عند إطلاق الضغط سيكون من الأسهل على الذرّات أن تبتعد عن بعضها البعض، ويُمكن الإشارة إلى مثال ذوبان الثلج لتغيير حالة المادة؛ حيث يذوب الثلج عندما ترتفع درجة الحرارة مع بقاء الضغط الجوي بالقيم الطبيعيّة على عكس الذي سيحصل في حالة تثبيت درجة الحرارة وتقليل قيم الضغط الذي سيقود لتعريف التسامي.^[٤]

تفسير علاقة الحرارة والضغط بتحويل المادة

قبل البدء في تعريف التسامي يجب الإشارة إلى أهم العوامل التي تعتمد عليها جميع طرق تحويل المادّة ومنها التّسامي؛ حيث لا يُمكن أن تتمكّن المادّة من تحويل حالتها من الصلبة إلى السائلة أو الغازية والعكس صحيح دون إخضاعها لضغط معين ودرجة حرارة معيّنة كما يأتي:^[٣]

درجة الحرارة

تستطيع درجة الحرارة أن تغيّر حالة المادة، ويُمكن ذكر مثال وضع الماء في الثلاجة لتحويله إلى ثلج للإشارة إلى هذا العامل، كما يُمكن توضيح العلاقة من خلال ذكر مثال وضع مادّة صلبة في وعاء ثمّ تزويد الوعاء بمصدر حرارة، وعندما تبدأ الحرارة بالانتقال من المصدر إلى الوعاء فإنّها ستسهم في زيادة الطاقة الحركية بين الجزيئات في المادة، وتستمر درجة الحرارة بالارتفاع حتّى تصل المادّة إلى نقطة الانصهار وتستمر المادّة الصلبة بالذوبان إلى أن تصبح بالحالة السائلة في حالة استمرار رفع الحرارة.

الضغط

يستطيع الضغط تغيير حالة المادّة أيضًا، ويُمكن توضيح العلاقة من خلال مثال المكبس الذي يحتوي على غاز، وكلّما ضغط المكبس الغاز سيزداد الضغط، إلى أن يصل إلى نقطة الغليان التي ستؤدّي إلى تكثيف الغاز إلى أن يصبح سائلًا، وفي حالة استمرار رفع الضغط على السائل فإنّ الضغط سيستمر بالارتفاع حتّى يصل إلى درجة الانصهار، وسيبدأ السائل بالتجمّد إلى أن يتحوّل من الحالة الصلبة للسائلة.

تعريف التسامي

يشير تعريف التسامي إلى أحد حالات انتقال المادة، ويختلف التّسامي عن الطرق الأخرى الخاصّة بتحويل المواد بأنّه يقوم بنقل المادّة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازيّة بشكلٍ مباشرٍ؛ أي بدون مرورها في الحالة السائلة مُطلقًا،^[٥] ويُطلق تعريف التسامي على التغيّر الفيزيائيّ الذي يحدث في حالة المادة فقط وليس الانتقال أو التغيّر الذي يحدث في حالة المادّة من الصلبة إلى الغازية خلال التّفاعل الكيميائيّ، فعلى سبيل المثال عندما يخضع الشمع لعمليّة الاحتراق فإنّ البارافين يتبخّر ويتفاعل مع عنصر الأكسجين الأمر الذي يؤدّي إلى إنتاج كل من ثاني أكسيد الكربون والماء وفي هذه الحالة لا يُمكن إطلاق تعريف التسامي على التغيّر الحادث في طور المادة.^[٦]

شرح عملية التسامي

ذُكر في تعريف التسامي أنّ المادّة التي تخضع لهذه الطريقة تنتقل من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون أن تُصبح سائلًا بين هاتين الحالتين مُطلقًا، ويُمكن ملاحظة هذه العمليّة من خلال المثال الأكثر شهرةً ووضوحًا على سطح الأرض وهو الثلج الجاف أو ثاني أكسيد الكربون الجاف؛ والذي يتكوّن من كتلةٍ صلبةٍ ستتحوّل بشكلٍ تدريجيٍ إلى غاز ثاني أكسيد الكربون دون الذوبان والتحوّل إلى الحالة السائلة،^[٧] ويُمكن شرح هذه العملية ببساطة بأنّ المادّة ستتواجد إمّا بالحالة الصلبة أو السائلة أو الغازيّة عند درجة حرارة معيّن وقيمة ضغط محددة، وللتمكّن من تحويل المادّة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازيّة عبر عمليّة التسامي دون المرور بطريقة الانصهار أو الغليان يجب تقليل قيمة الضغط المطبّق؛ وبالتالي ستتمكّن المادة من العبور بخطٍ مستقيمٍ بين الحالتين.^[٨]

أسباب حدوث التسامي عند بعض المواد

يرتفع ضغط البخار الخاص بأي نوع من أنواع المواد مزامنةً مع ارتفاع درجة الحرارة، وتُطبّق هذه المعلومة على المواد الصلبة وليست السائلة فقط، وتحدث عمليّة التّسامي عندما يكون الضغط الجوي الكليّ أقل من ضغط البخار الخاص بالمرّكب؛ الأمر الذي يُعيق حدوث عمليّة الانصهار بسبب عدم الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة، وتختلف قيم ضغط البخار اعتمادًا على أنواع المواد، أمّا درجة حرارة الانصهار فإنّها تعتمد على المكوّن الدّاخلي للمواد بينما تعتمد درجة الغليان على الضغط المحيط، ولا تعدّ هذه الدرجة من خصائص المادّة بقدر ما هي خاصيّة لمزيج المواد والضغط الجويّ، وبالتّالي فإنّه يُمكن تعديل درجة الغليان بتغيير قيمة الضغط الجويّ، بعكس نقطة الانصهار التي لا يُمكن أن تتغيّر، وبالتّالي ففي بعض المواد قد تتغيّر قيمة نقطة الغليان لدرجةٍ أقل من نقطة الانصهار الذي يُظهر تعريف التسامي ويُسبب حدوث هذه العمليّة.^[٩]

المواد التي تخضع لعملية التسامي

في حقيقة الأمر تخضع معظم أنواع المواد لعمليّة التّسامي ولكن ليس تحت ظروف الضغط الجويّ العاديّة والمُعتادة؛ حيث إنّ النقطة الثلاثيّة لمعظم أنواع المركّبات الشائعة أقل بكثير بالنسبة للضغط مقارنةً بقيم الضغط الجويّ التي يعيش بها الإنسان، ولن تتمكّن هذه المركبات من التسامي إلّا في حالة تسخينها عن طريق التّسخين الجزئيّ،^[١٠] وفيما يأتي ذكر لأمثلة على بعض أنواع المواد التي تخضع للتسامي ضمن ظروف معينة:^[١١]

• تسامي عنصر اليود عند درجة حرارة مقدارها 100 مئويّة من الحالة الصلبة إلى الغاز البنفسجيّ السّام.
• تسامي عنصر الورق.
• يُستخدم مركّب الثلج الجاف لإنتاج التأثيرات الضبابيّة وذلك لأنّه يتسامى بسرعةٍ.

تنقية المركبات باستخدام التسامي

لا بُد من التطرّق تحديدًا إلى تنقية المركبات عند ذكر التطبيقات العمليّة الخاصّة بتعريف التسامي؛ حيث يستخدم الكيميائيون هذه العمليّة لتنقيّة المركّبات الكيميائيّة وقد تطوّرت هذه التقنيّة قبل تطوّر علم الكيمياء؛ حيث استُخدمت للتمكّن من خلق أبخرة نقيّة من العناصر ثمّ تمريرها في عمليّة التكثيف لتكون النتيجة النهائيّة مادّة صلبة نقيّة؛ وتنتج بالنهاية مادّة صلبة نقيّة بسبب عدم اختلاف درجة حرارة التسامي أو درجة حرارة التكاثف بالنسبة للشوائب عن المادّة الصلبة المطلوبة، وبما أنّه يصعُب مرور المادّة بطريقة التسامي دون الوصول إلى درجة أقل من النقطة الثلاثية عن طريق خفض قيمة الضغط فلا بُد من وجود أليّة محددة لإتمام الأمر؛ وبالتالي يلجأ الكيميائيّون غالبًا لوضع المادّة في الفراغ وتطبيق الحرارة عن طريق استخدام جهاز التسامي، ويُشير الفراغ إلى الضغط المنخفض جدًا؛ وفي حالة توفير هذا الظرف ستتسامى المادّة المستخدمة حتى وإن كانت تتحوّل إلى سائلة عادةً.^[١٣]

إيجابيات وسلبيات التسامي

عند تعريف التسامي لا بُد من النّظر في الآثار التي تعود بها هذه العمليّة على المواد الكيميائيّة المختلفة والاستخدامات المرتبطة بهذه المواد حيث تؤثّر هذه العمليّة الكيميائيّة على المواد بآثار إيجابيّة وأخرى سلبيّة، وفيما يأتي ذكر للآثار الإيجابيّة والسلبيّة المرتبطة بعمليّة التسامي:^[١٤]

• الآثار الإيجابية: تتميّز عمليّة التّسامي بأنّها سريعة؛ وذلك لأنّها تحوّل المادّة الصلبة إلى مادة غازيّة وتُكثّفها بشكلٍ مباشرٍ، كما أنّها نظيفة فبغض النّظر عن المادّة المتساميّة إلّا أنّها ستعود بنفس النقاء.
• الآثار السلبية: على الرّغم من الإيجابيات المرتبطة بالعمليّة إلّا أنّ عمليّة الإرجاع قد لا تكتمل؛ حيث قد لا تختفي الأبخرة، بالإضافة إلى احتماليّة إفساد العامل الخاص باللاتسامي بسبب الحرارة.

التسامي وطرق تحويلات حالة المادة

تستطيع جميع المواد الموجودة في الكون تغيير حالتها الفيزيائيّة من الصلبة أو السائلة أو الغازيّة إلى حالة أخرى؛ حيث تتميّز كل مادّة بوجودها بحالة فيزيائيّة معيّنة عند درجة حرارة محددة، وبالإضافة لتعريف التسامي وشرح الطريقة التي تتحوّل حالة المادّة من خلالها فيوجد طرق أخرى لتحويل حالات المادة، وفيما يأتي ذكر لتعريف طرق تحويلات المادّة:^[٣]

• الانصهار: تُمثّل هذه الطريقة تحويل المادّة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وتتميّز كل مادّة بأنّها تمتلك نقطة انصهار أو ذوبان معينة، وتمثّل هذه النقطة درجة الحرارة التي تُصبح بها المادّة الصلبة سائلة، وتختلف النقطة اللازمة لبدء العمليّة باختلاف المادّة.
• التجمّد: وهي الطريقة التي تمثّل تغيّر حالة المادّة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، وتتميّز أيضًا كل مادّة بامتلاكها لنقطة غليان معيّنة تبدأ عندها المادّة بالتبخّر إلى غاز.
• التبخّر:' وتمثّل هذه الطريقة تحويل حالة المادّة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازيّة.
• التكثّف: يُشير هذا المفهوم إلى الطريقة التي تتحوّل بها المادّة من الحالة الغازيّة إلى الحالة السائلة.

قانون الغاز المثالي لتغيير حالة المادة

يُمكن تفسير تحويل حالة المادّة بالطرق السابقة باستخدام القوانين الفيزيائيّة أيضًا، حيث يجب مراعاة متغيّران عند ذكر هذه العمليّة وهما درجة الحرارة وقيمة الضغط، ويرتبط كل هؤلاء المتغيّران ببعضهما البعض عبر المعادلة الفيزيائيّة لقانون الغاز المثالي وهي: PV=nRT حيث تُشير الرموز السابقة إلى ما يأتي:^[٣]

• P: قيمة الضغط.
• V: الحجم.
• n: عدد مولات الغاز.
• R: ثابت الغاز.
• T: درجة الحرارة.

يفترض قانون الغاز المثالي أنّه لا يوجد قوى جزيئيّة تؤثّر على هذا الغاز، ولذلك يُوجد قانون آخر وهو قانون فان دير فالز والذي يحتوي على متغيّرين وهما a وb؛ حيث يمثّل هاذان المتغيّران القوى بين الجزيئيّة التي تؤثّر على جزيئات الغاز.

طابعة التسامي

يُطبّق تعريف التسامي على العديد من التطبيقات العمليّة المُستخدمة في الحياة اليوميّة ومنها طابعة التسامي أو طابعة صبغ التسامي والتي تُعرف بطابعة انتقال الحرارة، وهي أحد الطرق المُستخدمة لإنتاج الصّور الفوتوغرافيّة عاليّة الجودة؛ إلّا أنّ طابعات التسامي تتميّز بأنّها محدودة ويُمكنها العمل مع عدد محدد من العناصر فقط؛ فبالإضافة إلى أنّها ضخمة الحجم وذات تكلفة مالية عالية إلّا أنّها أيضًا تُستخدم للطباعة على القماش أو الأوراق أو الطبقات الرقيقة وفي حالة الرّغبة في الطباعة على مواد أخرى يجب استخدام الضغط الحراريّ لتحويل الصورة المطبوعة إلى شيء ما؛ حيث لا يُمكن تطبيق الكميّة المطلوبة من الحرارة والضغط اللازمتين لتحويل صورة متساميّة دون ضاغط الحرارة، وفيما يأتي ذكر لبعض المعلومات المتعلّقة بطابعة التسامي:^[١٥]

• يُمكن استخدام هذه الآلة للطباعة على المواد كالأكواب أو اللوحات المعدنيّة أو الأجسام ذات الأسطح الصلبة الأخرى.
• تتميّز الطريقة التي تعمل بها الآلة بأنّها بسيطة للغاية؛ حيث إنّها تُطبع الصور على السيراميك أو المعادن أو البوليستر باستخدام المكونات الرئيسة الخاصّة بها وهي حبر التّسامي والحرارة والضغط.
• يرتبط تعريف التسامي بالحبر المستخدم أو حبر التسامي بأنّه قادرًا على التحوّل من الحالة الصلبة إلى الغازيّة دون المرور بالحالة السائلة.
• ترتبط الآلة بتعريف التسامي بشكلٍ عامٍ بأنّها تبدأ بعمليّة التحويل عن طريق الحرارة ويتمّ التحكّم بها بالضغط والوقت.
• تحتاج الأجسام الصلبة كالسيراميك والمعادن وغيرها إلى طلاء خاص حتّى تتمكّن من تقبّل حبر التسامي.
• يُمكن تحويل الطابعة إلى النوع العادي عن طريق تغيير الحبر المستخدم من حبر التسامي إلى الحبر العادي.

معكوس عملية التسامي

المراجع[+]

1. ↑ "State of matter", en.wikipedia.org, Retrieved 29-09-2019. Edited.
2. ↑ "Phase Change Definition", www.thoughtco.com, Retrieved 29-09-2019. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت ث} "Fundamentals of Phase Transitions", chem.libretexts.org, Retrieved 29-09-2019. Edited.
4. ↑ "List of Phase Changes Between States of Matter", www.thoughtco.com, Retrieved 29-09-2019. Edited.
5. ↑ "What is Sublimation in Chemistry? - Definition, Process & Examples", study.com, Retrieved 29-09-2019. Edited.
6. ↑ "Sublimation Definition (Phase Transition in Chemistry)", www.thoughtco.com, Retrieved 29-09-2019. Edited.
7. ↑ "How do you explain the process of sublimation in science?", www.quora.com, Retrieved 29-09-2019. Edited.
8. ↑ "What Does Sublimation Mean in Science?", sciencing.com, Retrieved 29-09-2019. Edited.
9. ↑ "Why do some substances undergo sublimation? Why don't they have a liquid phase?", www.quora.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.
10. ↑ "Why don't all substances undergo sublimation?", www.quora.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.
11. ↑ "What are examples of sublimation?", www.quora.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.
12. ^ ^{أ ب} "What are the principle and applications of sublimation?", www.quora.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.
13. ↑ "Sublimation", www.thoughtco.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.
14. ↑ "What are the advantages and disadvantages of sublimation?", www.quora.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.
15. ↑ "What is sublimation printing?", www.quora.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.
16. ↑ "The Difference Between Deposition & Sublimation", sciencing.com, Retrieved 30-09-2019. Edited.