المقدمة:

تتفاعل الغازات مع التغيرات في الظروف المحيطة بشكل ملحوظ، حيث تظهر استجابات قابلة للتنبؤ تجاه عدة عوامل أساسية. يتأثر سلوك الغازات بتغيرات في الضغط ودرجة الحرارة والحجم وعدد الجسيمات. في هذه المقدمة، نستعرض بإيجاز كيفية تفاعل الغازات مع هذه العوامل وكيف يمكن التنبؤ بتلك التغيرات باستخدام القوانين الأساسية للغازات. تلك القوانين تشمل قانون بويل، الذي يرتبط بالضغط والحجم، وقانون تشارلز، الذي يرتبط بالحجم ودرجة الحرارة، وأيضاً قانون أفوجادرو الذي يرتبط بالحجم وعدد الجسيمات. من خلال فهم هذه القوانين، نتيح لأنفسنا إمكانية التنبؤ بسلوك الغازات تحت مجموعة متنوعة من الظروف، مما يسهم في تطبيقات واسعة في العلوم والصناعة.

عناصر المقالة:

1.       حقائق كيميائية:

2.       قانون بويل Boyle’s:

3.       رسم العلاقة بين درجة الحرارة والحجم:

4.       الختام:

حقائق كيميائية:

درجة حرارة الهواء في المنطاد كافية لغلي الماء. استخدم العالم جوزيف جاي – لوساك في القرن التاسع عشر منطاد الهواء الساخن في

أبحاثه وتجاربه، في حين استخدم العالم جاك شارل منطاد الهيدروجين في تجاربه. يحتوي منطاد الهواء الساخن في المتوسط على 2.5 مليون لتر من الغاز.

ماذا يحدث لغاز في بالون إذا قللت حجمه بالضغط عليه؟

قانون بويل Boyle’s:

ضغط الغاز وحجمه مترابطان. وقد وصف العالم الأيرلندي روبرت بويل (1627-1691م) هذه العلاقة. كيف يرتبط الضغط مع الحجم ؟ لقد صمم بويل تجربة كالمبينة في الشكل 1-4، ووضح من خلالها أنه إذا كانت كمية الغاز ودرجة الحرارة ثابتتين فإن مضاعفة الضغط الواقع على الغاز يقلل من حجمه إلى النصف. ومن ناحية أخرى فإن تقليل الضغط الواقع على الغاز إلى النصف يضاعف حجم الغاز. وتعرف العلاقة التي يزيد فيها أحد المتغيرين عندما يقل الآخر بعلاقة التناسب العكسي. ينص قانون بويل على أن حجم كمية محددة من الغاز يتناسب عكسيا مع الضغط الواقع عليه عند ثبوت درجة حرارته. يبين الشكل 1- العلاقة العكسية بين الضغط والحجم حيث يتجه المنحنى إلى أسفل. لاحظ أن ناتج ضرب الضغط في الحجم عند كل نقطة في الشكل 1-4 يساوي .atm 10 لذا يمكن التعبير عن قانون بويل رياضيا على النحو الآتي:

 قانون بويل:     P1V1 = P2V2

حاصل ضرب ضغط كمية محددة من الغاز في حجمها عند ثبوت درجة حرارتها يساوي كمية ثابتة. يمثل كل من و V الضغط والحجم الابتدائية، في حين يمثل كل من P2 و V2 الضغط والحجم الجديدين، فإذا علمت ثلاثة من المتغيرات الموجودة في المعادلة أمكنك معرفة قيمة المتغير الرابع. وعلى عكس الشكل 1-4 إذ يؤثر في المكبس ضغط خارجي بالإضافة إلى الضغط الجوي، فقد بقي المكبس في الشكل 2-4 حر الحركة. وهذا يعني قيام الغاز الموجود في الأسطوانة برفع المكبس إلى أن يتساوى الضغط الواقع عليه مع الضغط الجوي. وكما تلاحظ يزداد حجم الغاز المحصور عند atm بزيادة درجة الحرارة في الأسطوانة، لذا تكون المسافة التي يتحركها المكبس مقياسا لزيادة حجم الغاز عندما يسخن.

رسم العلاقة بين درجة الحرارة والحجم:

يوضح الشكل 2-4 أيضًا العلاقة بين درجة الحرارة والحجم المقدار محدد من الغاز تحت تأثير ضغط ثابت؛ حيث إن منحنى درجة الحرارة مع الحجم خط مستقيم، ويمكن توقع درجة الحرارة التي يصبح الحجم عندها ، وذلك بمد الخط إلى درجات حرارة أدنى من الدرجات التي تم قياسها. في الرسم البياني الأول، درجة الحرارة التي يكون عندها الحجم 01 تساوي 273 ، لذا فهذه العلاقة خطية، لكنها ليست تناسباً مباشراً. فمثلا يمكنك ملاحظة عدم مرور الخط المستقيم بنقطة الأصل، كما أن مضاعفة درجة الحرارة من 25 إلى 500 لا تؤدي إلى مضاعفة الحجم. يبين الرسم البياني في الشكل 2- أن العلاقة بين درجة الحرارة المقيسة بالكلفن (K) والحجم علاقة طردية والتناسب مباشر؛ إذ تقابل درجة الحرارة 0 حجما مقداره ، وعند مضاعفة درجة الحرارة يتضاعف الحجم. ويعرف الصفر على تدريج كلفن بالصفر المطلق، وهو يمثل أقل قيمة ممكنة الدرجة الحرارة التي تكون عندها طاقة الذرات أقل ما يمكن.

الختام:

1. نجد أن قانون بويل يسهم في فهمنا لكيفية تفاعل الغازات مع التغيرات في الظروف المحيطة بها، وتحديداً فيما يتعلق بالضغط والحجم. إن فهم هذه العلاقة العكسية بين الضغط والحجم يسمح لنا بالتنبؤ بسلوك الغازات تحت ظروف مختلفة وتطبيقات متعددة في ميدان العلوم والصناعة.
2. كما أظهرت الحقائق الكيميائية المقدمة حول استخدام منطاد الهواء الساخن والغازات في التجارب العلمية، كانت تلك التجارب حجة قوية لفهم تأثير الضغط والحجم على سلوك الغازات.
3. العلماء مثل جوزيف جاي-لوساك وجاك شارل قاموا بتجاربهم باستخدام مناطيد مختلفة، وكانت هذه التجارب محط إعجاب وإلهام للعديد من الباحثين والعلماء اللاحقين.
4. يظهر لنا كيف يمكن للقوانين الأساسية للغازات، مثل قانون بويل، أن تلعب دوراً حاسماً في تفسير وفهم الظواهر الكيميائية والفيزيائية التي نشهدها في حياتنا اليومية. تتيح لنا هذه القوانين الأساسية الوصول إلى تفاصيل دقيقة حول سلوك الغازات، مما يسهم في تطوير التقنيات والتطبيقات التي تعتمد على تفاعلات الغازات في مختلف المجالات.

قم بالتجربة بنفسك من خلال منصة ڤلابي لمعامل العلوم الافتراضية