يمثل الفهم الواضح للاختلاف بين عمليتي الانصهار والتجمد أحد الجوانب الأساسية في دراسة حالات المادة. فالمادة تتواجد في أربع حالات رئيسية: الحالة الصلبة والسائلة والغازية والبلازما.
سنركز في هذا المقال على حالتين بارزتين من حالات المادة، وهما الانصهار والتجمد، اللتين تعتبران عمليتين متعاكستين. سنسلط الضوء على الفروق الجوهرية بينهما من حيث الخصائص الكيميائية والفيزيائية.
عملية الانصهار: تعريف وتفسير
تُعد عملية الانصهار من العمليات الفيزيائية الشائعة التي نشهدها في حياتنا اليومية. وتمثل هذه العملية تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، ويحدث ذلك نتيجة تعرض المادة لدرجات حرارة محددة تؤدي إلى تغيير حالتها.
عندما ترتفع درجة الحرارة، تبدأ المادة في التحول تدريجيًا من حالة الصلابة إلى السائلة عند ما يعرف بنقطة الانصهار. خلال هذه العملية، تتغير الخصائص الفيزيائية للمادة بالإضافة إلى الخواص الكيميائية، مما يؤدي إلى فصل الشوائب عن المواد النقية. كما يمكن أن تؤدي زيادة الحرارة بعد عملية الانصهار إلى تفكك الجزيئات.
على سبيل المثال، عند تسخين قطعة من الرصاص في وعاء، يحدث أن تذوب هذه القطعة وتتحول إلى صورة سائلة. ينبغي الإشارة هنا إلى أن هناك فرقًا كبيرًا بين عملية الانصهار وعملية الذوبان.
العوامل المؤثرة على درجة الانصهار
تتأثر عملية الانصهار بعدة عوامل تحدد درجة الحرارة المطلوبة، منها:
- حجم الجزيئات: كلما كان حجم الجزيئات أصغر، انخفضت درجة الحرارة المطلوبة للانصهار، وعلى العكس، كلما زاد حجم الجزيئات، احتاجت المادة لتسخين أكبر.
- المركبات الأيونية: تحتاج درجات حرارة عالية للانصهار نظرًا لقوة الترابط بين مكوناتها.
- المركبات العضوية: تؤدي الروابط الهيدروجينية إلى زيادة درجات الانصهار.
- المواد ذات الروابط القطبية: تتطلب درجات حرارة أعلى عن تلك غير القطبية.
عملية التجمد: تعريف وتفسير
التجمد هو عملية فيزيائية يتم فيها تحويل المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، وذلك من خلال انخفاض درجة الحرارة إلى نقطة التجمد.
يعرف التجمد بأنه مرحلة تصلب السائل، حيث تعني نسبة السوائل المنخفضة في المادة وصولها إلى الحالة الصلبة.
غالبًا ما يتم تجميد السوائل من خلال عملية تُعرف بالتبلور، حيث تتحول بلورات المادة مع انخفاض درجة الحرارة إلى الحالة الصلبة.
على سبيل المثال، عند تقليل درجة حرارة سائل النحاس، يتجمد ويتحول إلى كتلة صلبة، كما يمكن ملاحظة ذلك عند وضع الماء في كوب، حيث يتجمد ليصبح ثلجًا.
ما هي نقطة التجمد؟
تصل السوائل إلى نقطة معينة تُسمى نقطة التجمد، وهي النقطة التي تكتسب فيها المادة حالتها الصلبة. تختلف نقطة التجمد من مادة لأخرى، وتعتمد على المكونات الداخلية ونسبة الشوائب الموجودة في المادة، مما يؤثر على زمن التجمد.
تسهم عملية التجمد في فصل المواد تدريجيًا حتى الوصول إلى حالة التجميد.
الارتباط بين درجة انصهار المادة ودرجة تجمد السائل
تشير الأبحاث إلى أن درجة حرارة انصهار المواد تساوي تقريبًا درجة التجمد، مع وجود اختلافات طفيفة نتيجة لبعض العوامل التي تؤثر على تركيب المادة، كوجود الشوائب.
على سبيل المثال، ينخفض لزوجة الزجاج عند ارتفاع درجة الحرارة، مما يجعل انتقاله من الحالة الصلبة إلى السائلة تدريجيًا. في بعض الحالات، تكون السوائل ذات نقطة تجمد أعلى من المواد المتبلورة، مما يؤدي إلى ذوبان الزجاج بسرعة.
تجميد الكائنات الحية
من الظواهر الملحوظة في الطبيعة تمكّن بعض الكائنات الحية من تحمل درجات الحرارة المنخفضة لفترات ممتدة. تحتوي أجسام هذه الكائنات على كميات من البروتينات والجلوكوز، مما يحميها من التجمد. ومن الأمثلة على هذه الكائنات:
- البكتيريا، حيث تم اكتشاف أن هناك أنواع يمكنها البقاء على قيد الحياة بعد التجمد لآلاف السنين.
- بعض أنواع النباتات تحتفظ بخواصها حتى عند التجمد، وتُعرف حالتها في هذا الوضع بحالة التصلب، حيث يمكن أن تتحمل درجات تصل إلى -12 درجة مئوية قبل البدء في التجمد.
- بعض أنواع الديدان قادرة على البقاء حتى في حالة التجمد، وتستعيد نشاطها بعد مدة تصل إلى 44 أسبوع.
- يمكن لبعض الزواحف والبرمائيات العودة للحياة بعد فترة طويلة بسبب التجمد.
خواص التجمد في الأطعمة
بفضل الخصائص المتعددة لعملية التجمد، تمكّن الباحثون من إيجاد طرق مختلفة للحفاظ على الطعام، والتي استخدمت منذ قرون. كان الإنسان يمارس هذه العمليات بشكل طبيعي دون دراسة بشكل منهجي، ومن أبرز فوائد التجمد هو توقف نشاط الكائنات الحية.
يعمل التجمد على إيقاف نمو البكتيريا مما يحول دون تحلل الغذاء. أجرى عالم بريطاني تجارب لتجميد الأطعمة عن طريق الغمر في محلول ملحي جليدي، لكن هذه الطريقة لم تلقَ قبولًا واسعًا لصعوبتها.
ومن ثم، كان التبريد الميكانيكي هو الحل الذي لاقى استحسانًا كبيرًا في مجال الصناعات الغذائية.
استخدامات التجمد في الصناعات الغذائية
- تستخدم شركات اللحوم والأغذية المحفوظة تجميدًا فعالًا للحفاظ على جودة اللحوم.
- تم تجميد الأسماك والدواجن والخضراوات، وأول شحنة مجمدة من اللحوم كانت في عام 1868 في لندن، وكانت النتائج مرضية للغاية.
- أنشأت الشركات شاحنات ضخمة تحتوي على أحدث تقنيات التجميد.
- تستخدم هذه الشاحنات في نقل المواد الغذائية من الدول المنتجة إلى المستهلكة دون فساد.
- ركزت الشركات بشكل أساسي على لحوم الحيوانات والمنتجات الطازجة.
- بلغت درجات التجميد في هذه الشاحنات إلى ما دون الصفر بعشرين درجة مئوية، مما يمنع نمو البكتيريا الضارة.
- اتبعت العديد من الشركات التجمد في معالجة المحاصيل بعد تنظيفها وتجهيزها للطهي مباشرة.
- استفادت الكثير من الشركات من هذا المجال لتحقيق أرباح جيدة.
- تشمل العمليات أيضًا تجميد الفواكه والخضروات الموسمية التي تدخل في بعض الصناعات، مما يساعد في تقليل تكلفة المنتج.
- تخزين الفواكه والخضروات خلال موسم الحصاد يكون أقل تكلفة من شرائها في مواسم أخرى.