أهداف الدرس

التعرف على الحالات الثلاث للمادة وخصائص كل منها
فهم مفهوم الضغط وكيفية حسابه
التعرف على الضغط الجوي وتأثيراته
دراسة النظرية الجزيئية الحركية للغازات
التطبيق على أمثلة عملية من الحياة اليومية

مقدمة عن حالات المادة

الماء والهواء من أكثر المواد شيوعاً في حياة الإنسان اليومية. نشعر بتأثيرهما عندما نشرب، وعندما نستحم، ومع كل هواء نستنشقه.

في ضوء خبراتك اليومية، قد لا يبدو أن هناك خصائص مشتركة بين الماء والهواء، أما إذا فكّرت في طريقة أخرى فسوف تدرك أن لها خصائص مشتركة؛ فكل من الماء والهواء يتدفقان وليس لأي منها شكل محدد، على عكس المواد الصلبة.

لذرات المادة وجزيئاتها الغازية والسائلة حرية كبيرة لتتحرك.

حالات المادة الثلاث

استكشاف حالات المادة

الحالة الصلبة

شكل وحجم ثابتان
الجزيئات مرتبة بانتظام
حركة اهتزازية محدودة
قوى تماسك قوية بين الجزيئات
كثافة عالية
أمثلة: الجليد، المعادن، الخشب

الحالة السائلة

حجم ثابت، شكل متغير
الجزيئات قريبة لكن متحركة
يأخذ شكل الإناء
قوى تماسك متوسطة
كثافة أقل من الصلب
أمثلة: الماء، الزيت، الزئبق

الحالة الغازية

لا شكل ولا حجم محددان
الجزيئات متباعدة ومتحركة بحرية
يملأ أي حجم متاح
قوى تماسك ضعيفة جداً
كثافة منخفضة
أمثلة: الهواء، البخار، الأكسجين

التحولات بين حالات المادة

دورة تحولات المادة

مفهوم الضغط

الضغط هو القوة المؤثرة على وحدة المساحة. يمكن تعريف الضغط رياضياً بالمعادلة:

$$P = \frac{F}{A}$$
حيث: P = الضغط (Pa)، F = القوة (N)، A = المساحة (m²)

محاكاة الضغط

القوة (N) 500 N

المساحة (cm²) 50 cm²

الضغط الجوي

في كل سنتيمتر مربع من سطح الأرض يؤثر غاز الغلاف الجوي بقوة مقدارها 10 N تقريباً عند مستوى سطح البحر. وتعادل هذه القوة وزن جسم كتلته 1 kg.

الضغط الجوي المعياري:
= 10 N لكل cm²
= 1.0×10⁵ N/m²
= 100 kPa تقريباً

مقارنة الضغط الجوي على الكواكب

هناك كواكب أخرى في المجموعة الشمسية لها أيضاً غلاف غازي، ويتباين الضغط الناتج عن أغلفتها الغازية كثيراً:

كوكب الزهرة: الضغط الجوي أكبر من الأرض بـ 92 مرة تقريباً
كوكب المريخ: الضغط الجوي أقل من الأرض = 1% فقط

النظرية الجزيئية الحركية للغازات

الضغط الذي تؤثر به الغازات يمكن فهمه بتطبيق نظرية الحركة الجزيئية للغازات التي توضح خصائص الغاز المثالي.

حركة جزيئات الغاز

درجة الحرارة 50°C

افتراضات النظرية الجزيئية الحركية:

جزيئات الغاز تتحرك عشوائياً وبسرعة عالية
تخضع لتصادمات مرنة بعضها ببعض
عندما يرتطم جزيء الغاز بسطح الإناء فإنه يرتد مغيراً زخمه الخطي
يتولد ضغط للغاز عند السطح بفعل الدفع الذي تؤثر به التصادمات العديدة للجزيئات

أمثلة تطبيقية على الضغط

مثال 1: حساب الضغط المؤثر بواسطة قدم الإنسان

وزن الشخص = 70 kg
مساحة قدم واحدة = 200 cm²
المطلوب: حساب الضغط عند الوقوف على قدم واحدة

الحل:
القوة = الوزن = mg = 70 × 9.8 = 686 N
المساحة = 200 cm² = 0.02 m²
الضغط = $\frac{F}{A} = \frac{686}{0.02} = 34,300$ Pa = 34.3 kPa

النتيجة: الضغط المؤثر = 34.3 kPa (أكبر من الضغط الجوي بثلث تقريباً)

مثال 2: مقارنة الضغط تحت أحذية مختلفة

نفس الشخص (70 kg) يرتدي:
أ) حذاء رياضي: مساحة = 300 cm²
ب) حذاء بكعب عالي: مساحة = 10 cm²

الحل:
القوة = 686 N (نفس القوة)

الحذاء الرياضي:
$P = \frac{686}{0.03} = 22,867$ Pa ≈ 22.9 kPa

الكعب العالي:
$P = \frac{686}{0.001} = 686,000$ Pa = 686 kPa

النتيجة: الكعب العالي ينتج ضغطاً أكبر بـ 30 مرة من الحذاء الرياضي!

مثال 3: الضغط في أعماق البحر

عمق البحر = 100 متر
كثافة ماء البحر = 1025 kg/m³
المطلوب: حساب الضغط الإضافي بسبب عمود الماء

الحل:
الضغط = ρgh = 1025 × 9.8 × 100
الضغط = 1,004,500 Pa = 1004.5 kPa ≈ 1000 kPa

الضغط الكلي = الضغط الجوي + ضغط الماء
= 100 + 1000 = 1100 kPa

النتيجة: الضغط على عمق 100 متر = 11 ضعف الضغط الجوي المعياري

مقارنة بين حالات المادة

الخاصية	الحالة الصلبة	الحالة السائلة	الحالة الغازية
الشكل	ثابت ومحدد	يأخذ شكل الإناء	يملأ الحجم المتاح
الحجم	ثابت ومحدد	ثابت	متغير حسب الضغط
الكثافة	عالية	متوسطة	منخفضة
حركة الجزيئات	اهتزازية محدودة	انزلاقية وتدويرية	حرة وعشوائية
قوى التماسك	قوية جداً	متوسطة	ضعيفة جداً
القابلية للانضغاط	صعبة جداً	صعبة	سهلة

تطبيقات الضغط في الحياة العملية

الطب والصحة

• قياس ضغط الدم
• أجهزة التنفس الاصطناعي
• حقن الأدوية بالضغط
• غرف الضغط العالي

الصناعة والتكنولوجيا

• الأنظمة الهيدروليكية
• ضاغطات الهواء
• مكابس صناعية
• أنظمة التبريد والتكييف

الطيران والفضاء

• ضغط المقصورة في الطائرات
• بدلات رواد الفضاء
• أنظمة دفع الصواريخ
• اختبارات ضغط المواد

علوم البحار

• غواصات الأعماق
• معدات الغوص
• استخراج النفط البحري
• دراسة الحياة البحرية

الأرصاد الجوية

• قياس الضغط الجوي
• تنبؤ حالة الطقس
• دراسة العواصف
• تحليل أنماط الرياح

الهندسة المدنية

• ضغط المياه في المباني
• أنظمة الصرف الصحي
• اختبار قوة المواد
• تصميم الهياكل

ملخص المفاهيم الأساسية

حالات المادة: صلبة، سائلة، غازية - تختلف في ترتيب وحركة الجزيئات

الضغط: القوة المؤثرة على وحدة المساحة (P = F/A)

الضغط الجوي: 100 kPa عند مستوى سطح البحر

النظرية الجزيئية: تفسر سلوك الغازات بحركة الجزيئات العشوائية

حالات المادة والضغط

انضم لعائلة الهندسة و الرياضيات