ما هي درجة تجمد الماء؟
تُعرّف درجة تجمد الماء بأنّها درجة الحرارة التي يحدث عندها تحوّل للمادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، وتتناسب درجة التّجمد مع الضغط تناسبًا طرديًا (تزداد مع ازدياد الضغط وتقل مع انخفاضه)، ويجب الإشارة أنّه في حالة وجود خليط من السوائل، فإنَّ درجة التّجمد لديه تكون أقل من درجة الذوبان (درجة الحرارة التي تتغير فيها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة) ، وعند تجمد هذا الخليط غالباً ما تنتج مادة صلبة تختلف تركيبتها عن تركيبة السائل المكون لها، وبالنسبة للماء فإنّ درجة تجمده تساوي 0 درجة مئوية، وتتأثر درجة حرارة الماء في حالة وجود شوائب فيه، بحيث يؤدي ذلك إلى انخفاض درجة التجمد لديه.
كيف يتجمد الماء؟
تحدث عملية تجمد الماء عند تبريده من خلال خفض درجة حرارته، فكما هو الحال في جميع أنواع المواد فإنّ الماء أيضاً يحتاج إلى زيادة أو تخفيض الطاقة حرارية منه، كي يتحوّل سواءً إلى ثلج صلب، أو بخار ماء كغاز، أو يعود سائل عند تكاثف البخار أو ذوبان الثلج.
كيفية رفع درجة حرارة التجمد
ترفع درجة حرارة التّجمد من خلال استخدام الأساليب الآتية:
استخدام المياه فائقة البرودة
تُعتبر طريقة تجمد الماء عملية معقدة؛ لأنّ الماء جزيء قطبي مع العلم أنّ شحنته الصافية تساوي 0 (يملك أقطاب موجبة وسالبة)، لذلك جزيء الماء يشبه المغناطيس من حيث جذب الشوائب الموجودة في الماء، وترتبط هذه الجزيئات مع بعضها ومع الشوائب الموجودة في الماء، مكوّنة روابط هيدروجينية في ما بينها، وهذه الروابط تساعد الماء في رفع درجة التجمد.
إضافة الكحول
تعمل إضافة الكحول إلى الماء النقي على رفع درجة التّجمد لديه، إذ يُغّير سلوك الماء، فعند تبريد الكحول يصبح تركيبه الجزيئي سداسي الشكل، وهذا الشكل يسمح لقطرات الماء بالتجمع حوله بدلاً من التّحرك بحريّة، مما يرفع درجة التجمد.
استخدام الخلايا الكهروحرارية
تُستخدم الخلايا الكهروحرارية في تجميد الماء باستخدام خلايا مشحونة، تتكون من بلورات كهروحرارية (مواد يتغير تركيبها مع تغير الحرارة) داخل أسطوانات مصنوعة من النحاس، بحيث توضع هذه الشحنات في غرفة رطبة وبدرجة حرارة منخفضة إلى أن يتكاثف الماء حول البلورات، وينتج عن هذه الطريقة رفع درجة التجمد للماء.
كيفية خفض درجة حرارة التجمد
تحدث ظاهرة انخفاض درجة حرارة التّجمد عندما يتجمد المحلول عند درجة حرارة أقل من المذيب النقي، ويتناسب تركيز الجسيمات الذائبة في المحلول مع انخفاض درجة حرارة التجمد طردياً، ويمكن تحقيق ذلك بسهولة عن طريق إضافة بعض المواد مثل الملح (ترش بعض الدول الملح على الأرض في مواسم الثلوج، لتجنب الصقيع).
درجة حرارة التّجمد في الماء هي 0 درجة مئوية، وتحدث ضمن ظروف تهيئ جزيئات الماء على التّحول من حالة سائلة إلى حالة صلبة بعد فقدان الطاقة الحرارية، وتعدّدت أساليب رفع درجة حرارة التّجمد بالإضافة إلى توضيح ظاهرة انخفاض درجة حرارة التّجمد.
