السؤال: يوجد الماء في حالات ثلاث صلبة وسائلة وغازية ويتجمد عند درجة 0 سيليزية ويتبخر عند درجة 100 سيليزية. اكتب مدى درجات الحرارة التي لا يكون فيها الماء سائلاً.
- الإجابة: { د | د < 0 أو د > 100 }
شرح الإجابة:
إن فهم سلوك الماء عبر مقياس درجات الحرارة يكشف عن منطق فيزيائي دقيق. فالماء، هذا المركب الفريد، لا يبقى على هيئة واحدة، بل يتغير شكله الفيزيائي بناءً على الطاقة التي يكتسبها أو يفقدها. الإجابة الرياضية الموجزة { د | د < 0 أو د > 100 } هي في الحقيقة خريطة تصف عالم الماء خارج حالته السائلة المألوفة.
لنبدأ من نقطة الصفر على مقياس سيليسيوس. عند هذه الدرجة وما دونها، تفقد جزيئات الماء طاقتها الحركية بشكل كبير، فتقل حركتها واهتزازها. وبالتالي، تترابط هذه الجزيئات بقوة في شبكة بلورية منتظمة وصلبة، وهو ما نعرفه بالجليد. إذن، كل درجة حرارة تقع تحت الصفر المئوي، سواء كانت -5 أو -50، هي نطاق يكون فيه الماء في طوره الصلب، وليس السائل. هذا يمثل الشق الأول من الإجابة: د < 0.
وبالانتقال إلى الطرف الآخر من المقياس الحراري، نجد عتبة فاصلة أخرى عند درجة 100 سيليزية. عند بلوغ هذه النقطة وما فوقها، تكتسب جزيئات الماء طاقة حركية هائلة، مما يسمح لها بالتغلب تماماً على قوى التجاذب التي تربطها ببعضها البعض في الحالة السائلة. نتيجة لذلك، تنطلق الجزيئات وتتحرر على شكل غاز، وهو بخار الماء. ومن ثم، فإن أي درجة حرارة تتجاوز المئة، كأن تكون 101 أو 150، هي مجال يكون فيه الماء في حالته الغازية، وليس السائلة. وهذا يفسر الشق الثاني من المعادلة: د > 100.
خلاصة القول، إن الحالة السائلة للماء محصورة في نافذة حرارية ضيقة ومحددة تمتد من بعد الصفر وحتى قبل المئة درجة مئوية. أما خارج هذه النافذة، سواء بالانخفاض عن درجة التجمد أو بالارتفاع فوق درجة الغليان، فإن الماء يترك هيئته السائلة ليدخل إما في الطور الصلب الجامد أو الطور الغازي المتحرر. لذا، فإن المدى الذي لا يكون فيه الماء سائلاً يشمل جميع القيم الأصغر من صفر، بالإضافة إلى جميع القيم الأكبر من مئة.