إجابة سؤال: ماذا يحدث لمعظم المواد عندما يتم تسخينها؟ (2 نقطة) تتبخر تتقلص تطفو تتمدد
الجواب: تتمدد.
شرح الإجابة:
عندما يتم تسخين معظم المواد، فإن الطاقة الحرارية التي تكتسبها الجزيئات تجعلها تتحرك بشكل أسرع، وتبتعد عن بعضها البعض. هذا التباعد يؤدي إلى زيادة حجم المادة، أي أنها تتمدد. ولا يقتصر هذا التأثير على حالة واحدة من المادة، بل يُلاحظ في المواد الصلبة والسائلة والغازية على حد سواء، مع اختلاف في شدة التمدد.
في المواد الصلبة، مثل المعادن، يظهر التمدد في شكل زيادة طول أو حجم بسيط لكنه قابل للقياس. ولهذا السبب تُترك فجوات صغيرة بين قضبان السكك الحديدية، حتى لا تنثني أو تتشوه عند ارتفاع درجة الحرارة. أما في السوائل، فإن التمدد الحراري يكون أكثر وضوحًا، حيث تزداد المسافات بين الجزيئات بسرعة، وهذا ما يجعل مستوى السوائل يرتفع في أنابيب الترمومتر الزجاجي عند تعرضه للحرارة.
أما في الغازات، فإن تأثير الحرارة يكون أعنف، لأن الروابط بين الجزيئات ضعيفة، ما يسمح لها بالتحرك بحرية أكبر، وبالتالي تتمدد بشكل سريع وكبير. وهذا التمدد هو ما يُستخدم عمليًا في بالونات الهواء الساخن التي ترتفع عندما يُسخّن الهواء داخلها، لأن الغاز الساخن يتمدد ويصبح أقل كثافة من الهواء الخارجي، ما يؤدي إلى طفو البالون.
يُستثنى من هذا القاعدة بعض المواد، مثل الماء بين درجتي حرارة 0 و4 مئوية، حيث يحدث لها سلوك شاذ، فتتقلص بدل أن تتمدد. لكن هذا استثناء ولا ينطبق على معظم المواد، لذا الإجابة الصحيحة العامة هي أن المواد تتمدد.
هذا المبدأ الأساسي في الفيزياء يُعرف باسم التمدد الحراري، وهو يُستخدم في تصميم معظم الأدوات والتقنيات التي تتأثر بالحرارة، مثل المحركات الحرارية، وأنظمة التبريد والتسخين، وحتى في البنية التحتية كالطرق والجسور التي تُزوَّد بفواصل تمدد لتفادي الانكسار.
إذن، السبب الجوهري لتمدد المواد عند التسخين يعود إلى أن الجزيئات تمتص طاقة حرارية، فتتحرك بسرعة أكبر وتحتاج إلى مساحة أوسع، مما يؤدي إلى زيادة حجم المادة الكلي. وهذا المفهوم يشكّل أساسًا لفهم الظواهر الحرارية في حياتنا اليومية، وفي عالم الفيزياء والهندسة.