طور (مادة)

في العلوم الفيزيائية ، يطلق مصطلح طور بالإنگليزية: phase على أي مجموعة من الحالات لنظام فيزيائي جهريقد يكون عادة ذوهجريب كيمائي متجانس وخواص فيزيائية متجانسة . مثل الكثافة والبنية البلورية crystal structure وقرينة الانكسار refractive index وما إلى ذلك.

جزء صغير من ثلج الأرگون سريع الذوبان يوضح الانتنطق من الطور الصلب إلى الطور السائل.

والطور هوحالة متوازنة ترموديناميكيّاً للمادة، تختلف عن الحالات المتوازنة الأخرى للمادة نفسها من حيث الخصائص الفيزيائية. ويُعرَف التحول من طور لآخر بالتحول الطوري phase transition، ويرتبط بتغييرات جوهرية لخصائص المادة. وتختلف الأطوار البلورية للمادة بعضها عن بعض بنمط البنية البلورية، والناقلية الكهربائية والخصائص الكهربائية والمغنطيسية، ووجود أوانعدام الناقلية الفائقة superconductivity وغيرها.

مفهوم الطور في منظور التحريك الحراري

الطور من وجهة نظر التحريك الحراري بتجانس الجملة المدروسة. فالجملة المتجانسة هي أي جزء محاط بسطوح محددة تكون قيم خواصها إما ثابتة أوتتغير تغيرات مستمرة من نقطة إلى أخرى داخل الجملة، أي التي لا يوجد انقطاعات أوقفزات ظاهرة في قيمها عند التنقل داخلها. فوجود الماء مع الجليد مثلاً، يشكل جملة ذات طورين: طور الماء السائل وطور الماء الجامد (الجليد)، أي يوجد في الجملة منطقتان متجانستان متمايزتان ويحدث الانقطاع أوالقفزة في قيمة الكتلة الحجمية عند اجتياز السطح الفاصل بين الماء والجليد. وفي الحالة العامة يمكن حتى تتكون الجملة من عدة مناطق متجانسة تفصل بينها سطوح واضحة فتسمى جملة متعددة الأطوار multiphase system أومتغايرة التجانس heterogeneous system. تجدر الإشارة إلى حتى للطور مفهوماً آخر في الحركات الدورية ومنها التيار الكهربائي المتناوب الذي يؤثر الطور في توليده ونقله، فهناك التيار وحيد الطور والثلاثي الطور أومتعدد الأطوار polyphase.

لا تقتصر فكرة الطور في التحريك الحراري على الأطوار المعروفة تقليديا: الغازية والسائلة والصلبة، بل يمكن حتى تعمم، وفق هذا التعريف، لتضم جملاً في الحالة الصلبة تحتوي نظامين بلوريين للمادة نفسها أي في حالة المادة متعددة الأشكال في بعض البلورات، أوفي الحالة التي تتغير فيها المقاومة الكهربائية بين نقطة وأخرى فجأة فتنعدم في بعض أجزائها كما في النواقل الفائقة من النوع الثاني، أوفي الحالة الصلبة بين منطقة مغنطيسية ومنطقة لا مغنطيسية. وقد يحدث في الحالة السائلة أيضاً أكثر من طور، كما في الهليوم السائل تحت الدرجة 2.4 درجة كلفن إذ تنعدم اللزوجة في بعض أجزائها بينما تظل محدودة القيمة في أجزاء أخرى.

ومن الناحية الكيمياوية، قد تكون الجملة بسيطة مكونة من عنصر كيمياوي واحد (ذرات حديد مثلاً) أومن مركب كيمياوي (جزيئات أكسيد الحديد) أوعدد من المركبات (أنواع من أكاسيد الحديد). وإذا ما وجدت تحولات بين المركبات فإن عدد المركّبات يدخل في تحديد حالة الجملة المتغايرة التجانس إضافة إلى عدد الأطوار وذلك عبر عدد المتحولات أوالخواص المستقلة اللازمة لوصف حالة الجملة، وتعطي قاعدة جيبس Gibbs في الأطوار هذا العدد بالعلاقة f=n+2-r

( f عدد المتحولات المستقلة وn عدد المركّبات وr عدد الأطوار). وفي حال غياب التفاعلات الكيميائيةقد يكون عدد المركبات مساوياً عدد أنواع الجزيئات الموجودة في الجملة. وقد نضطر من وجهة نظر فيزيائية إلى التمييز بين النظائر مع النظر إلى السلوك الكيمياوي. وتعدّ الجملة متجانسة أحياناً ولوكانت على شكل محلول أومزيج أوخليط في الحالة الغازية أوالسائلة أوالصلبة.

أنواع الطور

Iron-carbon phase diagram, showing the conditions necessary to form different phases

طور التوازن

عدد الأطوار

A typical phase diagram for a single-component material, exhibiting solid, liquid and gaseous phases. The solid green line shows the usual shape of the liquid–solid phase line. The dotted green line shows the anomalous behavior of water.

ظواهر بينية

طور الكريستال

الطور الانتنطقي

تكون الجملة في طور معين إذا خضعت لشروط خارجية محددة من ضغط ودرجة حرارة، وهويقابل الحالة التوازنية ضمن هذه الشروط. وقد يتغير الطور اللقاء للحالة التوازنية عند تغير الشروط المطبقة إما بالانتنطق إلى طور حديث بالمعنى التقليدي أوبالمعنى المعمم، غير حتى سرعة هذا الانتنطق تختلف باختلاف الطورين اللقاءين فمنها ما يحدث في مدة قصيرة جداً ومنها ما يحدث في مدة طويلة جداً، وكلاهما يصعب قياسهما في الأحوال التجريبية العادية، وبالتالي فإن الوصول إلى الحالة التوازنية ليس متاحاً دائماً مما يغلّب وجود جمل متعددة الأطوار. يفيد تحديد الزمن المميز لانتنطق معين كفائدة فهم سرعة التفاعلات الكيمياوية.

من ناحية أخرى، تصنف الانتنطقات تصنيفاً يساعد على تحديد متطلباتها ومنها سرعتها، فإذا احتاج الانتنطق كمية من الحرارة ليتم التغير سمي تغيراً من النوع الأول ويحدث الانقطاع في الطاقة الداخلية، كما في حالة الانتنطق من الجليد إلى السائل (الماء). أما إذا لم يترافق بتبادل حراري وإنما وقع الانقطاع في السعة الحرارية التي هي مشتق الطاقة الحرارية بالنسبة إلى درجة الحرارة، سمي تغيراً طورياً من النوع الثاني، كما في بعض التغيرات بين الأطوار المغنطيسية، إلى غير ذلك يزداد رقم النوع بحسب درجة المشتق الذي يحدث فيه الانقطاع.

تطبيقات

يغير وجود عدة أطوار في جملة معينة من خواص هذه الجملة سواء الميكانيكية أوالمغنطيسية أوالكهربائية أوحتى الكيميائية منها. فالجملة ثنائية المركّبة: الحديد والكربون مثلاً تظهر خواص كثيرة تلبي خواص مطلوبة لصناعات مختلفة، بدءاً من الفولاذ غير القابل للصدأ حتى الفولاذ اللامغنطيسي وانتهاءً بالحديد الصب. كما تفيد دراسة التغيرات الطورية التفاعلات الكيمياوية وعلاقاتها الزمنية وضمن شروط مختلفة من الضغط والحرارة في تحديد التاريخ الجيولوجي للأرض أولصخور منطقة منها. ويمتد ذلك لينطبق على الكواكب والكون.