الموسوعة العربية

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الطور

طور

Phase - Phase

الطَّور

الطَّور phase في الترموديناميك هو حالة متوازنة ترموديناميكيّاً للمادة، تختلف عن الحالات المتوازنة الأخرى للمادة نفسها من حيث الخصائص الفيزيائية. ويُعرَف التحول من طور لآخر بالتحول الطوريphase transition، ويرتبط بتغييرات جوهرية لخصائص المادة. وتختلف الأطوار البلورية للمادة بعضها عن بعض بنمط البنية البلورية، والناقلية الكهربائية والخصائص الكهربائية والمغنطيسية، ووجود أو انعدام الناقلية الفائقة superconductivity وغيرها. وتختلف الأطوار السائلة للمادة بعضها عن بعض بتركيز المركَّبات ووجود أو انعدام السيولة الفائقة superfluidity وتناحيanisotropy الخصائص الكهربائية والمرنة (في البلورات السائلة) وغيرها. وفي السبائك الصلبة يمكن أن تختلف أطوار البنية البلورية بالكثافة وبمعاملي المرونة bulk moduli ودرجة حرارة الانصهار وغيرها من الخصائص.

التوازن الطوري

هو الوجود المتزامن لعدة أطوار متوازنة في جملة متعددة الأطوار، كالسائل مع بخاره المشبع، والماء والجليد عند درجة حرارة الانصهار، والموائع غير القابلة للمزج المختلفة بالتركيز. ويمكن أن يوجد طوران ذوا مغنطيسية حديدية ferromagnetic (في حال غياب الحقل المغنطيسي الخارجي) بمحور واحد للتمغنط الخفيف، ولكن مع اختلاف توجُّه المغنطة. كما يمكن أن يوجد الطوران، العادي وذو الناقلية الفائقة للمعدن نفسه في حقل مغناطيسي خارجي وغير ذلك.

قاعدة الأطوار

في شروط التوازن الترموديناميكي تكون الكمونات الكيميائية لكل مركِّبة في الأطوار المختلفة للجملة متساوية. ومن هنا تنتج قاعدة جيبس Gibbs rule للأطوار والتي تنص على ما يلي: «في المادة المتشكلة من k مركِّبة لا يمكن أن يوجد أكثر من (k+ 2) طوراً متوازناً في آن واحد». ومن ثمّ فعدد درجات الحرية الترموديناميكية، أي عدد المتحولات الفيزيائية للجملة التي يمكن تغييرها دون المساس بشروط التوازن الطوري، يساوي k+2-ϕ حيث تمثل ϕ عدد الأطوار المتوازنة. فمثلاً يمكن أن توجد الأطوار الثلاثة لمادة ثنائية المركِّبة في وضع التوازن عند درجات حرارة مختلفة شريطة أن يتعين الضغط وتركيز المركبتين كلية من درجة الحرارة المعطاة. ويساوي العدد الأعظم لأطوار الجملة أحادية المركبة ثلاثة أطوار هي الغاز والسائل والجسم الصلب.

ويتعين تغير درجة حرارة التحول الطوري (الغليان، الانصهار، التصعُّد وغيرها)، عند التغير اللامتناهي في الصغر للضغط، من خلال معادلة كلابيرون ـ كلاوزيوس Clapeyron-Clausius. وهي تكتب بالشكل:

حيث ترمز L إلى كمية الحرارة المرافقة لتغير الحالة من طور لآخر (صلب إلى سائل أو من سائل إلى بخار).

Vi حجم المادة النقية الابتدائية.

Vf حجم المادة النقية النهائية.

Tدرجة الحرارة المطلقة.

ميل المنحني P بدلالة T عند الدرجة T.

الشكل (1) المخطط الطوري للماء

وتعرف المنحنيات المعبِّرة عن تبعية متحولات ترموديناميكية لمتحولات ترموديناميكية أخرى في شروط التوازن الطوري بخطوط (أو سطوح) التوازن، كما تعرف مجموعة هذه الخطوط بمخطط الحالات.

يبين الشكل (1) المخطط الطوري للماء، وفيه تظهر النقطة الثلاثية o حيث تتوازن الأطوار الثلاثة للماء الصلبة والسائل والبخار.

التحوُّل الطوري

هو التحول، بين الحالات الجهرية macroscopic المختلفة للجملة المتعددة الجسيمات، الذي يحصل عند قيم محددة للمتحولات الخارجية (درجة الحرارة T، الضغط P، الحقل المغنطيسي H، وغيرها) الموافقة لنقطة التحول. والتحولات الطورية ظاهرة جماعية، تحصل في الجملة المؤلفة من عدد كبير جداً من الجسيمات. وتحصل التحولات الطورية في الجمل المتوازنة ترموديناميكياً (مثل التحول الطوري من حالة المغنطيسية المسايرة إلى حالة المغنطيسية الحديدية عند انخفاض درجة الحرارة)، وفي الجمل البعيدة عن وضع التوازن الترموديناميكي (كانتقال الليزر إلى حالة التوليد المترابط coherent generation عند رفع سوية الضخ).

تصنيف التحولات الطورية

تصنف التحولات الطورية في الجمل المتوازنة ترموديناميكياً إلى عدة أنماط؛ فالتحولات الطورية من النمط الأول تترافق مع طرح الحرارة أو امتصاصها وبقفزات للحجم النوعي، بينما تحصل التحولات الطورية من النمط الثاني بشكل مستمر إلا أنها تترافق مع تزايد شاذٍ للظواهر التأرجحية fluctuation phenomena. وتتحدد نقطة التحولات الطورية من النمط الأول بتساوي كمون جيبس للطورين المتوازنين، إلا أن مشتقات هذين الكمونين بالنسبة لدرجة الحرارة T والضغط T و... (أي الإنتروبي والحجم النوعي وغيرها)، غير متساوية عموماً، ومن ثمّ فالتحولات الطورية من النمط الأول تترافق بتغيرات قفزية لهذه المقادير. وتعد ظواهر الإبطاء (كفرط التسخينsuperheating وفرط التبريد supercooling) مميزة للتحولات الطورية من النمط الأول. وتنتشر التحولات الطورية من النمط الأول بكثرة في الطبيعة، إذ تنتمي إليها ظواهر البخر والتكاثف والانصهار والتبلور والتحوُّل البلوري للغرافيت إلى ألماس عند الضغوط العالية، وانقلاب الشبكات الجزئية للمواد ذات المغنطيسية الحديدية العكسية في حقل مغنطيسي خارجي، وانهيار الناقلية الفائقة للنواقل النقية بتطبيق حقل مغنطيسي قوي، وتجمُّد الهليوم ^s4He تحت الضغط وغيرها. وفي حالة التحول الطوري من النمط الثاني تختفي ظواهر فرط التسخين وفرط التبريد. وكأمثلة على مثل هذه التحولات تمكن الإشارة إلى التحول الذي يطرأ في نقطة كوري Curie point على طور المغنطيسية الحديدية، أو الأطوار الكهربائية الحديدية ferroelectric والتحول λ لـ s4He في حالة السيولة، والتحول الطوري للمعادن إلى الناقلية الفائقة عند انعدام الحقل المغنطيسي. وتمثل النقاط الحرجة critical points لجملة سائل ـ بخار، أو النقاط الحرجة المماثلة لها في المحاليل شكلاً خاصاً من أشكال التحول الطوري من النمط الثاني. وتتميز التحولات الطورية من النمط الثاني بالتزايد الشاذ للمقادير المميزة لاستجابة الجملة للتأثيرات الخارج