جميعِ الأُمورِ المتعلقة بِتجمد الماء

الماء

يُعتَبرُ المَاءُ شَرَيَانَ الحَياةِ عَلى سَطحِ الأَرضِ، فَهو يُغَطِّي 71% مِن مَساحَةِ سَطحِ الأَرضِ،^[١] كَمَا أَنَّه يَدخُل فِي تَركيبِ جَميعِ الكَائِناتِ الحيَّةِ، فَهُو المَسؤُول الأَوَّل عَن جَميعِ العَملِيَّاتِ الحَيويَّةِ، وهَو عِبارَة عَن مُرَكَّبٍ كِيميَائِيّ مُكَوَّن مِن ذَرَّةِ أُكسِجين وَذَرَّتَيّ هَيدروجينصِيغَته الكِيميائِيّة H2OO. وَمِن خَصَائِصِ المَاءِ أَنَّه شَفَّاف، لَا لَون لَه، وَلَا طَعم، وَلا رَائِحة، وَيُعتَبَرُ مُذِيبَاً جَيِّداً لِمُعظَمِ المُرَكَّبَاتِ، كَمَا يُعتَبَر وَسَطَاً لِكَثيرٍ مِنَ التَّفاعُلاتِ. وَلَمَّا تَعدَّدَت أَهَميَّة المَاءِ فِي حَياةِ الإِنسانِ لِتَشمل جَميعَ جَوانِبِ حَياتِه بِدءَاً مِن حَياتِهِ الخَاصَّةِ إِلىالصِّناعَةِ والزِّرَاعَةِ، كَانَ لابُدَّ مِن تَعَدُّدِ الدِّرَاسَاتِ وَالأَبحاثِ لِدِرَاسَةِ جَميعِ الأُمورِ المُتعَلِّقَةِ بِالمَاءِ وَمَا يُؤَثِّرُبه.

حالات الماء

يَتَواجَدُ المَاءُ فِي الطَّبِيعَةِ عَلى ثَلاثِ حَالاتٍ فِيزيَائِيَّةٍ، وَلِكُل حَالَةٍ لَها أَهَميَّتها فِي الُوجُودِ:^[٢]

• الحَالَة السائِلَة: مِثل مِياه الِبحَار، وَالأَنهَار، وَالبُحَيرَات، وَالمِياه الجَوفِيَّة، وَهِي الحَالَة الأَكثر شُيوعَاً عَلى سَطحِ الأَرضِ، وَتُشَكِّلُ مَا نِسبَته 70.8% مِن سَطحِ الأَرضِ، حَيث إنَّ الحَالةَ السَّائِلَةَ هِي المَسؤُولَة عَن العَمَلِيَّاتِ الحَيويَّةِ دَاخِل الكَائِنات الحَيَّة.
• الحَالة الصّلبة: يَكونُ المَاءُ فِيها عَلى شَكلِ جَليدٍ أَو ثَلجٍ.
• الحَالة الغازِيَّة: كبُخارِ المَاءِ فِي الجَوِّ المُسَبّب لِظاهرةِ الحَمل الحَراريّ، وَقد يَكون مَرئِيَّاً فِي حَالاتِ السَّحابِ والضّبابِ.

وتُسمَّى عمليّة تحوّل المادة مِنَ الحَالَة الصَّلبة إِلى الحَالَةِ السَّائِلَةِ بِالذَّوبانِ (بالإنجليزية: Melting)، وَتَحوّلها مِنَ الحَالَةِ السَّائِلَة إِلى الحَالَة الصَّلبة بِالتَجمّد (بالإنجليزية: Freezing)، أَمَّا تَحوُّلِها مِنَ الحَالَةِ الغَازِيَّةِ إِلى السَّائِلَةِ فَهيَ التَّكاثُفِ (بالإنجليزية: Condensationn)، والعَملِيَّة المُعاكِسَة تُسمَّى التبخّر (بالإنجليزية: Evaporationn)، أمّا حالة تَحوّل المادَّة مِنَ الحَالَة الصَّلبة إِلى الغَازِيَّةِ مباشرةً دُونَ المُرورِ بِالحَالَةِ السَّائلة تُسمّى التَّسامِي (بالإنجليزية: Sublimation).

درجة التجمد

تُعرَفُ دَرَجَةُ التَجمُّدُ (بالإنجليزية:Freezing Point) بأَنَّها دَرَجة الحَرارَةِ التَّي تَتحَوَّل عِندها المَادَّة مِنَ الحَالَةِ السَّائِلَةِ إِلى الحَالَةِ الصَّلبَةِ. عِندَ تَبرِيدِ السَّائِلِ فَإِنَّ مُعَدَّل طَاقَةِ الجُزيئَاتِ يَقِلّ، وَعِندَ نُقطَةٍ مُعَيَّنَةٍ تَتقَارَبُ الجَزيئَاتُ فِيمَا بَينها نَتيجَة لِقُوى التّجاذب (بالإنجليزية: Attractive Forces) فَيَتَصلَّبُ السَّائِلُ، وَيجدرُ القَول إِلى أَنَّ الطَّاقَةَ اللازِمَة لإِذَابَةِ المَادَّةِ الصَّلبَةِ، أَو اللازِم إِزَالتها لِتَجميدِ المادَّة تُسمَّى حَرارة الانصِهار (بالإنجليزية: Heat of Fusion).^[٣]

درجة تجمد الماء

درجة تجمد الماء بوحدة السلسيوس

عِندَمَا اختَرَعَ العَالِمُ الفَرنسيّ جين كريستين مِقياس سلسيوس، وَضَع الزِّئبَق فِي أُنبوبٍ طَويل وَغَمَسَه بِالماءِ، ثُمَّ بَرَّدَ المَاءَ حتَّى صَارَ ثلجَاً، وَعِندها قَامَ بِوَضعِ إشارَة عَلى أنبوب الزِّئبق، ثُمَّ قَامَ بِتَسخينِ الثَّلج حتَّى صَارَ مَاءً ثُمَّ، بُخَارَاً، وَعندها وَضعَ عَلامةً أُخرى عَلى أنبوبِ الزِّئبق، فَأصبَحَ لَديه علَامتان تُمثِّلان المَسافة بَينَ التَّجَمُّد وَالغَليان، فقامَ بتَقسيمِ تلك المَسافة إِلى 100 وِحدة مسافة، سُميَّت كلّ مِنها دَرجة مِئَوية (درجة سيليسيوسيّة)، وَاعتُبرت نًقطة التَّجمُّد 0، وَنُقطة الغَليان 100.^[٤]

درجة تجمد الماء بوحدة الفهرنهايت

استَحدثَ هذا النِّظام العَالِم فهرنهايت، حَيث قامَ بتقسيمِ المَسافة بَين العَلامتين إِلى 180 دَرجة فهرنهايتيّة، وَنُقطة التَجمُّد تَأخُذُ الدَّرجة 32، وَنُقطة الغَليان تَأخذُ الدَّرجة 212.^[٤]

درجة تجمد الماء بوحدة الكلفن

فِي القَرنِ العشرين اعتُمِدَ مِقياس كِلفن لِلحَرَارَةِ كَمقياسٍ دَوليٍّ؛ لأَنَّه حَدَّد أَدنَى نُقطَة حَرارَة فِي الكَونِ، إِذ كَانت أَدنى نُقطَة حَرارَة مَحسُوبَة فِي الكَونِ هِيَ 273- درجة مئوية، وحسَب مِقيَاس كِلفن فَإِنَّ أَدنَى دَرَجة حَرارة فِي الكَونِ هِي 0 دَرجة كلفن، وَعليه تَكونُ دَرَجَة تَجمُّد المَاء هِي 273 دَرجة كلفن، ودَرجَة غَليَانِه هِي 373 درجة كلفن، حَيث إِنَّ دَرَجَةً مِئَويَّةً وَاحدةً تُساوي دَرجة كِلفن وَاحدةٍ، وَلكِن الاختلاف يَكمُن فِي تَحديدِ كِلفن للصّفرِ المُطلَقِ فِي الكَونِ.^[٤]

شذوذ الماء

تُعتَبَرُ ظَاهرة شُذوذِ المَاءِ إحدَى الظَّواهرِ الطَبيعيَّةِ التي تَحدُثُ فِي المُسطَّحَاتِ المَائِيَّة نَتِيجة سُلوك المَاء سُلوكاً عَكس المواد الأُخرى بِتمدُّده بِالبُرودَةِ وانكِماشِه بِالحَرارَةِ، حَيثُ إنَّ المَاءَ يَتمدّد عِندما تَنخَفض دَرجة الحَرارة مِن 4 دَرَجة مِئوية إلى صِفر درَجة مِئَوية، فَعند انخِفاض درجة الحرَارةِ مِن 4 دَرجة مِئَوية إِلى صفر تَزدادُ كَثافَةُ المَاءِ، وَيقلّ حَجمه، ممّا يُؤَدّي إِلى تَجَمُّد السَّطح المُلامس للجوّ، وَبقاء المَاء المَوجود بِالأَعمَاقِ فِي الحَالةِ السَّائِلَةِ. وَتكمُن أَهميَّة هَذهِ الظَّاهرة فِي مُسَاعَدةِ الكَائنات البَحريَّةِ البَقاء عَلى قيدِ الحَياةِ.