الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
9ثلج وماء وبخار
الماء نفسه الذي يقرقع في كأسك مكعّبَ ثلج يُسكب شرابًا ويرتفع من قِدر الحساء عمودًا أبيض. مادة واحدة وثلاث حالات. في السنة الماضية رأينا الدفء يصهر مكعّب ثلج؛ وهذه السنة نلتقي حالات المادة الثلاث كلها التي يستطيع الماء أن يتّخذها.
9.1 حالات الماء الثلاث
مثال 9.1 (أين تسكن كل حالة)
يستطيع الماء أن يكون في ثلاث حالات للمادة. الصلبة: الثلج — مكعّبات الثلج، والدلايات تحت السقف، والصقيع على العشب، والثلج المتساقط. والجسم الصلب قاسٍ يحفظ شكله. السائلة: الماء الذي يُسكب — المطر، والأنهار، والبحر، وكأسك. والسائل يجري ويأخذ شكل إنائه. الغازية: بخار الماء، وهو ماء يطير في الهواء من غير أن يُرى. صلبة، فسائلة، فغازية — والمادة تحتها واحدة دائمًا.
ملاحظة 9.2 (بخار الماء لا يُرى)
العمود الأبيض الذي تراه فوق القِدر مؤلَّف من قطيرات ماء دقيقة عائمة — أي قطرات صغيرة سائلة. أما الغاز الحقيقي — بخار الماء الممتزج بالهواء — فلا يُرى البتة! انظر عن قرب إلى فوهة القِدر: فوقها مباشرة فجوة صافية قصيرة قبل أن يبدأ العمود الأبيض. في تلك الفجوة يكون الماء غازًا لا يُرى؛ وأعلى منها بقليل يتجمّع قطيرات تستطيع أن تراها. وبخار الماء الخفيّ مختبئ في هواء كل غرفة، وسنمسكه بالجرم المشهود قبل نهاية الفصل.
9.2 تغيّر الحالة
تعريف 9.3 (الانصهار والتجمّد)
حين يحوّل الدفء الثلج الصلب ماءً سائلًا يقال إن الثلج ينصهر. وحين يحوّل البردُ الشديد الماءَ السائل صلبًا يقال إن الماء يتجمّد. والانصهار والتجمّد بابان متقابلان بين الحالتين نفسيهما: الدفء يدفع في جهة، والبرد يدفع في الجهة الأخرى.
تعريف 9.4 (التبخّر والتكاثف)
حين يجعل الدفءُ الماءَ السائل يطير في الهواء غازًا يقال إن الماء يتبخّر — فتصغر البركة، ويجفّ الغسيل. وحين يلمس بخار الماء شيئًا باردًا فيعود قطيرات سائلة يقال إنه يتكاثف — ضباب على النافذة الباردة، وغَبَش على مرآة الحمّام. وهما بابان متقابلان مرة أخرى: الدفء يرسل الماء إلى الحالة الغازية، والبرد يردّه إلى السائلة.
مثال 9.5 (جرّب: أمسك الماء الخفيّ)
خذ علبة أو كأسًا من الثلاجة توًّا، وجفّف ظاهرها بعناية بمنشفة، وضعها على الطاولة. وانتظر وأنت تعدّ حتى . يغبشّ الظاهر ثم يبتلّ — وتظهر قطرات من العدم! وهي لا ترشح من خلال الزجاج: بل بخار الماء الخفيّ في هواء الغرفة لمس الجدار البارد فتكاثف. لقد أمسكت الغاز الخفيّ توًّا.
مثال 9.6 (سحب النَّفَس)
نَفَسك يحمل دائمًا بخار ماء لا يُرى. وفي يوم دافئ يبقى غير مرئي. أما في صباح متجمّد فهواء الخارج البارد يكاثفه في الحال سحابة صغيرة أمام فمك — ومثل ذلك يحدث على نافذة باردة حين تنفخ عليها لترسم بإصبعك.
ملاحظة 9.7 (البخار والمواقد: احذر)
بخار الماء فوق القِدر الغالي حارق — أشدّ حرارة مما يبدو عليه الماء نفسه. فلا تضع يدك في العمود أبدًا، وارفع الأغطية بعيدًا عن وجهك، وليكن شخص كبير بجوارك. تغيّرات الحالة تُشاهَد ولا تُلمَس كلما كان الموقد في الأمر.
9.3 الماء نفسه، دورةً بعد دورة
مثال 9.8 (البركة المتقلّصة)
بعد المطر تلمع بركة في ساحة اللعب. وبعد الظهر تكون قد صغرت؛ وفي الغد تختفي. لم يشربها أحد ولم ترشح من الإسفلت: بل جعلها دفء الشمس تتبخّر قطرةً قطرة في الهواء. ارسم بالطباشير خطًّا حول بركة صباحًا وتحقّق بعد الغداء: يكون الماء قد انسحب إلى داخل خطّك.
مثال 9.9 (من البحر إلى المطر)
ما تبخّر لا بدّ أن يتكاثف في مكان ما. يطير الماء صاعدًا من البحار والبِرَك من غير أن يُرى؛ وعاليًا في السماء، حيث الهواء بارد، يتكاثف قطيرات تصنع الغيوم؛ ثم تتجمّع القطيرات وتثقل وتسقط — مطرًا! والمطر يملأ البِرَك والبحار، فتبدأ الرحلة الدائرية من جديد. والماء الذي في كأسك قطع هذه الرحلة مرات لا يحصيها أحد.
9.4 تمارين
تمرين 9.1 ★
ما حالة المادة في كل ممّا يلي — صلبة أم سائلة أم غازية: دلاية ثلج؛ البحر؛ الماء الخفيّ فوق فوهة قِدر الحساء مباشرة؛ الصقيع على العشب؛ المطر؟
حل
حل التمرين 9.1.
دلاية الثلج: صلبة. والبحر: سائلة. والماء الخفيّ فوق الفوهة: غازية (بخار ماء). والصقيع: صلبة. والمطر: سائلة.
تمرين 9.2 ★
سمِّ تغيّر الحالة: رجل ثلج يتقلّص في الشمس؛ بركة تختفي؛ غبش يظهر على مرآة الحمّام؛ غدير يقسو في الشتاء.
تمرين 9.3 ★
في صورة تغيّرات الحالة، إلى أيّ جهة يدفع الدفء دائمًا: نحو الحالة الصلبة أم نحو الغازية؟ وإلى أين يدفع البرد؟
حل
حل التمرين 9.3.
الدفء يدفع نحو الحالة الغازية (من الصلبة إلى السائلة إلى الغازية)؛ والبرد يردّ نحو الصلبة (من الغازية إلى السائلة إلى الصلبة).
تمرين 9.4 ★
القطرات على العلبة الباردة في المثال 9.5 — أرشحت من خلال الزجاج؟ ومن أين جاءت؟
حل
حل التمرين 9.4.
لا — فالزجاج لا يرشح. بل تكاثف بخار الماء الخفيّ الذي في هواء الغرفة على جدار العلبة الخارجي البارد، فصار قطرات مرئية.
تمرين 9.5 ★
لماذا ترى نَفَسك في صباح متجمّد ولا تراه في يوم دافئ؟ استعمل كلمات التعريف 9.4.
حل
حل التمرين 9.5.
النَّفَس يحمل دائمًا بخار ماء لا يُرى. والهواء المتجمّد يكاثفه في الحال قطيرات دقيقة — أي سحابة مرئية. أما الهواء الدافئ فيدعه متبخّرًا، فلا يبقى ما يُرى.
تمرين 9.6 ★
يجفّ الغسيل المبلول في الشمس أسرع منه في الظلّ. أيّ تغيّر حالة يعمل هنا، وما الذي تضيفه الشمس ليسرّعه؟
تمرين 9.7 ★
لماذا يكون العمود فوق قِدر غالٍ خطِرًا، وما القاعدة الآمنة في الملاحظة 9.7؟
حل
حل التمرين 9.7.
العمود حارق — أشدّ حرارة من ماء الحمّام الساخن. والقاعدة: لا تضع يدًا في العمود أبدًا، وارفع الأغطية بعيدًا عن وجهك، ولا تفعل ذلك إلا وشخص كبير بجوارك.
تمرين 9.8 ★
احكِ الرحلة الدائرية لقطرة مطر: ابدأ من البحر وانتهِ إلى البحر، واستعمل كلمتَي التبخّر والتكاثف في الطريق.
تمرين 9.9 ★★
عند فوهة القِدر فجوة صافية، ولا يبدأ العمود الأبيض إلا فوقها. ما الذي في الفجوة الصافية؟ وماذا يبيّن هذا عن الماء في حالته الغازية؟
حل
حل التمرين 9.9.
في الفجوة الصافية ماء في حالته الغازية — بخار ماء لا يُرى. ولا يتكاثف قطيرات بيضاء تصنع العمود إلا أعلى بقليل، حيث يبرد الهواء. فالبخار الحقيقي لا يُرى؛ أما الأبيض الذي نسمّيه بخارًا فهو قطرات ماء سائل دقيقة.
تمرين 9.10 ★★
يترك نينو كأس ماء على حافة النافذة أسبوعًا؛ فينزل المستوى يومًا بعد يوم، مع أن أحدًا لا يشربه. فيُتَّهم قطّه. دافع عن القطّ: اشرح ما حدث حقًّا، وابتكر طريقة تبيّن أن الماء يذهب إلى الهواء، لا إلى القطّ.
حل
حل التمرين 9.10.
تبخّر الماء في هواء الغرفة، قليلًا كل يوم. ولتبرئة القطّ: غطِّ كأسًا مماثلة بصحن أو بغشاء بلاستيكي ودَعِ الكأسين جنبًا إلى جنب. وبعد أسبوع تبقى المغطّاة ممتلئة بينما ينزل مستوى المكشوفة — فالماء يهرب إلى الهواء، ولا قطّ يشرب من وراء غطاء.