محتويات
قانون بويل هو
قانون بويل هو: القانون الذي يقوم بالربط ما بين الضغط، وتمدد الغاز، والذي يحدث عند درجة حرارة ثابتة.
وقد تمت صياغة هذه العلاقة التجريبية الفيزيائية من قبل الفيزيائي روبرت بويل في 1662، حيث ينص أن الضغط (P) لكمية معينة من الغاز؛ يتناسب عكسياً مع حجمه (V) عند درجة حرارة ثابتة. أي يمكن التعبير عنه رياضياً كالتالي: PV = k، حيث k هو ثابت. ومن جهة أخرى، يمكن القول أن لهذا القانون عالم آخر ساعد في اكتشافه، وهو العالم الفرنسي ادم ماريوت، وذلك في عام 1676.
[almrsal_inner_post 1078300]
يمكن استنتاج قانون بويل من النظرية الحركية للغازات، بافتراض أن الغاز مثالي، وتتبع الغازات الحقيقية لقانون بويل في ضغوط منخفضة، على الرغم من أن حاصل الضرب PV ينخفض قليلاً عند الضغوط الأعلى، حيث يبدأ الغاز بالانحراف عن السلوك المثالي. [1]
يمكن تطبيق قانون بويل لشرح آلية التنفس؛ وذلك في الشهيق والزفير، حيث عندما يتمدد ويتقلص الحجاب الحاجز يزيد وينقص حجم الرئتين، مما يغير الضغط الهوائي داخلهما. فارق الضغط بين داخل الرئتين والهواء الخارجي يؤدي إما إلى استنشاق الهواء أو زفره. [2]
نص قانون بويل
نص قانون بويل: يمكن التعبير عن القانون الذي يحمل اسم بويل رياضياً بالمعادلة التالية: PV = k.
حيث، P تمثل الضغط، V تمثل الحجم، وk ثابت. ومن ناحية أخرى رياضياً، يمكن وصف قانون بويل باستخدام المعادلات:
- PV = k.
- أو P1V1 = P2V2.
ولكن يُستخدم الأخير بشكل أكثر تكراراً في الحسابات.
تقدم هذه المعادلة أيضاً دليلاً على أن العلاقة بين الضغط والحجم هي علاقة عكسية، وهي هذه العلاقة: P ∝ 1/V.
لكي يبقى حاصل ضرب متغيرين قيمة ثابتة دائماً، يجب أن يتغير المتغير الآخر في حال تغيّر المتغير الأول بالاتجاه المعاكس، وذلك من أجل الإبقاء على النتيجة ذاتها وعدم تغيرها. يمكننا تقديم مثال بسيط عن هذه الحالة:
ففي حال كان هناك حاوية مملوءة بغاز مثالي عند ضغط 2 جو وتشغل 2 لتر من الحجم، فإن قيمة k لهذا النظام تكون مساوية لـ 4، وإذا تمت مضاعفة الحجم في الحاوية إلى 4 لتر، فإن قانون بويل يخبرنا بأن الضغط داخل الحاوية يجب أن ينخفض إلى 1 جو من أجل بقاء قيمة k ثابتة.
أي يمكننا قول أن قانون بويل يصف العلاقة العكسية بين الضغط والحجم لغاز مثالي في مكان مغلق عند درجة حرارة ثابتة، مما يعني أن عدد جزيئات الغاز ثابت. عند زيادة الضغط، فيجب أن يقل الحجم، والعكس صحيح. يمكن أيضاً توضيح هذه العلاقة عن طريق دراسة النظرية الحركية للغازات. بمعنى آخر، يمكن اعتبار أن تغيير حجم الحاوية المملوءة بغاز مثالي، يغير كيفية تصادم جزيئات الغاز مع جدران الحاوية، وهذا بدوره يحدد الضغط. الحاويات الأكبر ترافق تصادمات أقل تكراراً وبالتالي ضغطاً أقل. [3]
امثلة على قانون بويل
- التنفس.
- نفخ الإطارات.
- زجاجات الصودا.
- الحقن.
- رذاذ الطلاء.
- البدلات الفضائية.
امثلة على قانون بويل: هناك عدة أمثلة على قانون بويل، منها:
التنفس: أثناء التنفس، تستخدم رئتانا قانون بويل. حيث أثناء الاستنشاق، تمتلئ الرئتان بالهواء؛ لذلك تتوسع ويزداد الحجم، وبالتالي يقل الضغط. ومن جهة أخرى، عندما تفرغ الرئتان من الهواء، تنكمش؛ لذلك ينقص الحجم ويزداد الضغط.
نفخ الإطارات: إطارات السيارات المسطحة تفتقد الشكل والقوة الصحيحة، مما يجعل من الصعب على السيارة التحرك بشكل صحيح. عند ضغط الهواء في الإطارات المسطحة بواسطة مضخة هواء، تتجمع جزيئات الهواء بشكل مضغوط. كلما زادت جزيئات الهواء في الإطار، زاد الضغط الذي يفرضه على جدران الإطار. وبالتالي، نفخ الإطارات المسطحة هو مثال آخر على قانون بويل في الحياة اليومية.
زجاجات الصودا: زجاجة الصودا المملوءة بمزيج من ثاني أكسيد الكربون والماء، تعتبر واحدة من أفضل الأمثلة لتوضيح قانون بويل. عندما تكون علبة الصودا أو الزجاجة مغلقة، يصعب ضغطها، وذلك لأن جزيئات الهواء الموجودة داخل الحاوية مضغوطة بشكل جيد ولا تملك مساحة للتحرك. وعند فتح العلبة أو الزجاجة، تهرب بعض جزيئات الهواء، مما يخلق مساحة لحركة جزيئات الهواء ويسمح للزجاجة بالانضغاط.
الحقن: الحقنة هي جهاز طبي يستخدم لإدخال السوائل أو سحبها من الجسم، والتي تتكون من اسطوانة تحتوي على السائل، ومكبس لتغيير الضغط. عند دفع المكبس للأسفل، يقل حجم السائل، مما يسبب زيادة الضغط. وبالمثل، عند سحب المكبس للأعلى، يزداد الحجم ويقل الضغط.
رذاذ الطلاء: تعتمد أدوات الرش على قانون بويل؛ بسبب وجود كمية كبيرة من الضغط التي تُمارس من قبل جزيئات الدهان على جدران العلبة التي يتم تخزينه فيها. عند الضغط على غطاء العلبة، يقل الحجم داخل العلبة ونتيجة لذلك، يخرج الدهان بضغط كبير.
البدلات الفضائية: الفضاء لا يحتوي على هواء أو ضغط جوي، لذلك، وفقاً لقانون بويل، عندما يدخل غاز مضغوط منطقة فراغية، سيتمدد بلا نهاية. وهذا هو السبب في أن رواد الفضاء يرتدون بدلات فضائية مصممة بعناية. [4]
متى يستخدم قانون بويل
متى يستخدم قانون بويل: هناك حالات محددة يمكن فيها استخدام هذا القانون، والتي تتضمن:
- أن يكون الغاز مثالياً.
- في درجات الحرارة المرتفعة، حيث لا يمكن استخدام هذا القانون في درجات الحرارة المنخفضة.
- في الضغوط المنخفضة، لأنه لا يمكن استعمال هذا القانون في الضغوط المرتفعة ولا يعمل، حيث يصبح عندها ارتفاع في درجات الحرارة والضغوطات. [5]
قانون شارل
قانون شارل: قانون شارل هو قانون ينص على أن الحجم الذي تحتله كمية محددة من الغاز يتناسب طرداً مع درجة الحرارة المطلقة للغاز، في حال كان ضغط الغاز ثابتاً.
لقد تم اقتراح هذه العلاقة التجريبية لأول مرة من قبل الفيزيائي الفرنسي جان شارل في عام 1787، وتم وضعها في نطاق تجريبي صحيح لاحقاً، من قبل الكيميائي جوزيف لويس غاي-لوساك.
وإن قانون شارل هو حالة خاصة من القانون العام للغاز، ويمكن استنتاجه من نظرية حركية الغازات وذلك تحت افتراض الغاز المثالي. وإن القياسات تظهر أن توسع الغازات الحقيقية يتوافق بشكل وثيق مع قانون شارل عند الضغط الثابت وعند الضغط المنخفض بما يكفي ودرجة الحرارة العالية، ويجدر أيضاً الإشارة إلى المفهوم النظري للغاز المثالي. [6]
