الفرق بين عمليتي الانصهار والتجمد مع توضيح، توجد للمادة أربع حالات تميزها، وهي الحالة الصلبة والسائلة والغازية والبلازما.
في هذا المقال نستعرض حالتين محوريتين من حالات المادة، وهما الانصهار والتجمد، حيث تمثل هاتان الحالتان ظاهرتين متعارضتين. سنوضح فيما يلي الفرق الكبير بينهما في الخصائص الكيميائية والفيزيائية.
عملية الانصهار وتفسيرها
تُعتبر عملية الانصهار من الظواهر الفيزيائية الشائعة التي نلاحظها في حياتنا اليومية، وهي تعبير عن تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. يحدث هذا التحول عندما يتم تسخين المادة إلى درجة حرارة معينة، مما يؤدي إلى تغيير حالتها.
مع زيادة درجة الحرارة، تبدأ المادة في التحول من صلب إلى سائل تدريجيًا حتى تصل إلى ما يُعرف بنقطة الانصهار، حيث يتبدل شكلها الفيزيائي وخصائصها الكيميائية، مما يؤدي إلى انفصال الشوائب عن المواد النقية. وباستمرار زيادة الحرارة بعد تلك النقطة، تبدأ جزيئات المادة بالتفكك.
على سبيل المثال، عند وضع قطعة من الرصاص في وعاء وتسخينها، يبدأ الرصاص في الانصهار ويتحول إلى حالة سائلة. ومن المهم التمييز بين عملية الانصهار وعملية الذوبان.
العوامل المؤثرة في درجة الانصهار
هناك عدة مؤثرات تحدد درجة الحرارة اللازمة لعملية الانصهار، ومن أبرزها:
- حجم الجزيئات: كلما كان الحجم الجزئي أصغر، كانت درجة الحرارة المطلوبة أقل. بالعكس، زيادة حجم الجزيئات يستلزم ارتفاع درجة الحرارة.
- المركبات الأيونية: تحتاج إلى درجات انصهار مرتفعة نظرًا لقوة الترابط بين المركبات.
- المركبات العضوية: الروابط الهيدروجينية تؤدي إلى زيادة درجة الانصهار.
- المواد ذات الروابط القطبية تحتاج إلى درجات حرارة أعلى مقارنة بالمركبات غير القطبية.
عملية التجمد وتفسيرها
التجمد عبارة عن تغير فيزيائي يحدث عندما تتحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، نتيجة لانخفاض درجة الحرارة حتى الوصول إلى نقطة التجمد.
ويمكن تعريف التجمد بأنه مرحلة تصلب السائل، حيث أنه كلما انخفضت نسبة السوائل في المادة، تصل إلى حالة التجمد أو الصلابة.
معظم السوائل تتجمد من خلال عملية تُعرف بالتبلور، التي تحدث عندما تنخفض درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تجمد بلورات المادة وتحولها إلى حالة صلبة.
على سبيل المثال، عند تخفيض درجة حرارة سائل النحاس، فإنه يتجمد ويتحول إلى شكل صلب، وكما في حالة وضع الماء في كوب، فإن تقليل درجة الحرارة يؤدي إلى تحوله إلى قطعة من الثلج.
ما هي نقطة التجمد؟
تصل السوائل إلى مرحلة التجمد في وقت معين يُعرف بنقطة التجمد، similar to the melting point for substances that become liquid. Point freeze differs from one substance to another, as each material has a specific low temperature needed to achieve its solid state.
يختلف هذا وفقًا لمكونات المادة ونسبة الشوائب فيها، مما يؤدي إلى تباين أوقات التجمد بين المواد.
وتعمل عملية التجمد على فصل المواد تدريجيًا حتى الوصول إلى مرحلة تجمدها.
العلاقة بين درجة انصهار المادة الصلبة ودرجة تجمد السائل
أظهرت الأبحاث أن درجة حرارة انصهار المواد الصلبة تعادل تقريبًا درجة تجمد السائل، مع وجود اختلافات بسيطة تتعلق بتركيب المادة، مثل وجود الشوائب التي قد تعيق بعض العمليات.
فمثلًا، ينصهر الزجاج عند انخفاض اللزوجة بارتفاع درجة الحرارة، وينتقل الزجاج من الحالة الصلبة إلى السائلة بشكل تدريجي وليس دفعة واحدة، وتظهر بعض الحالات الاستثنائية التي تجعل السوائل أكثر من المواد البلورية، مما يؤدي إلى سرعة ذوبان الزجاج.
تجمد الكائنات الحية
من الظواهر الطبيعية التي تم اكتشافها عبر الزمن، هي قدرة بعض الكائنات الحية على تحمل درجات الحرارة المنخفضة لفترات زمنية طويلة. تحتوي أجسام هذه الكائنات على بروتينات وجلوكوز يقيها من خطر التجمد.
على سبيل المثال:
- من بين الكائنات الحية، تستطيع بعض أنواع البكتيريا البقاء حية بعد تجمدها لآلاف السنين.
- بعض النباتات تحتفظ بخصائصها في حالة التجمد، حيث تُعرف الحالة التي تكون عليها خلال درجات الحرارة المنخفضة بحالة التصلب، وتتحمل هذه النباتات حتى -12 درجة مئوية قبل أن تتجمد بالكامل.
- هناك أنواع من الديدان والحيوانات، مثل بعض الزواحف والبرمائيات، التي تعود للحياة بعد فترة من التجمد قد تمتد لآلاف السنين.
خواص التجمد في الأطعمة
استفاد الباحثون من خصائص التجمد لتطوير طرق جديدة لحفظ الطعام، حيث كان الإنسان يعتمد على هذه الطرق منذ القِدم بشكل فطري. توقف عملية التجميد عمل الكائنات الحية ونموها، مما يمنع البكتيريا من تحليل الغذاء.
تمكن أحد العلماء البريطانيين من ابتكار طريقة تجميد من خلال غمر الطعام في محلول ملحي جليدي، لكنها لم تلقَ رواجًا بسبب صعوبتها. بدلاً من ذلك، تم تطوير أساليب التبريد الميكانيكي التي شهدت إقبالًا واسعًا في صناعات الأغذية.
استخدام التجميد في الصناعات الغذائية
- تستخدم العديد من شركات اللحوم والحفظ عملية تجميد اللحوم بكفاءة.
- تشمل الاستخدامات تجميد الأسماك والدواجن والخضروات. كانت أول شحنة مجمدة من اللحوم في عام 1868 في لندن وحققت نتائج إيجابية.
- طورت الشركات شاحنات مخصصة تحتوي على تقنيات التجميد الحديثة لنقل المواد الغذائية من الدول المنتجة إلى الدول المستهلكة دون الإصابة بالفساد.
- ركزت الشركات في البداية على منتجات اللحوم والدواجن، حيث تصل درجات التجميد في هذه الشاحنات إلى ما دون الصفر بعشرين درجة مئوية.
- هذا يمنع تكاثر البكتيريا الضارة، مما يساعد على المحافظة على جودة المنتجات، وفي مقدمتها اللحوم بعد ذبحها.
- بدأت الشركات بعدها في استخدام التجمد للحاصلات الزراعية بعد تجهيزها، مما أتاح توفيرها في أكياس وعبوات جاهزة للاستهلاك.
- ساهمت هذه العمليات أيضًا في تجميد الفواكه والخضروات الموسمية، مما أسهم في تقليل تكلفة المنتجات.
- عندما يتم تخزين المحصول أثناء موسم حصاده، تنخفض التكلفة مقارنةً بعملية الشراء خارج الموسم.
