استكشاف قانون بويل وتأثيره في علم الغازات

تفسير قانون بويل

قانون بويل (بالإنجليزية: Boyle’s Law) يعد من القوانين الأساسية التي تتناول سلوك الغازات المحتجزة في حاوية عند درجة حرارة ثابتة. تم اكتشاف هذا القانون من قبل العالم روبرت بويل في عام 1662، وكان أساساً لتطوير قانون الغاز المثالي.

يمكن شرح هذا القانون من خلال عملية نفخ الهواء في بالون، حيث يؤدي ضغط الهواء الموجود داخله إلى تمدد البالون. ومع زيادة كمية الهواء، قد يتسبب الضغط المرتفع في انفجار البالون نتيجة لتجاوز الضغط الحد المسموح به.

صياغة قانون بويل

تتعلق صيغة قانون بويل بحالة ثبات درجة الحرارة ووجود تغييرات في الضغط المؤثر على عينة من الغاز. يُعبر عن هذا القانون في الكلمات كالتالي: الحجم الذي يشغله الغاز يتغير بصورة عكسية مع الضغط المطبق عليه. يمكن صياغة هذا بعبارة رياضية على النحو التالي:

ث = ض × ح

حيث:

• ث: ثابت الغاز.
• ض: ضغط الغاز، يقاس بوحدات متعددة مثل (بار، مم زئبق، باسكال، أو الضغط الجوي (atm)).
• ح: حجم الغاز، والذي يقاس بوحدات مثل (السنتيمتر المكعب، اللتر، الديسيلتر، وغيرها).

بالإضافة لذلك، ينص قانون بويل على أنه عند حدوث أي تغيير في حجم الغاز، فإن الضغط سيتغير تبعاً لذلك. حيث يكون ناتج الضغط والحجم الأوليين متساويين للناتج النهائي، مع ثبات درجة الحرارة في كلا الحالتين. يُعبر عن ذلك رياضياً بالشكل التالي:

P1V1 = P2V2

حيث:

• P1: الضغط الأولي للغاز.
• V1: الحجم الأولي الذي يشغله الغاز.
• P2: الضغط النهائي للغاز.
• V2: الحجم النهائي الذي يشغله الغاز.

أهمية قانون بويل

يعتبر قانون بويل إنجازاً عظيمًا ساهم في توضيح سلوك الغازات وسهّل على العلماء والباحثين الدراسة في هذا المجال. هناك العديد من التطبيقات العملية الضرورية في الحياة اليومية التي تعتمد بشكل أساسي على هذا القانون.

أمثلة من الحياة اليومية على قانون بويل

توجد الكثير من الأمثلة الحياتية التوضيحية لقانون بويل، منها:

• موت الأسماك

موت الأسماك عند خروجها من الماء هو مثال نموذج على تطبيق قانون بويل، حيث يحدث انخفاض كبير في الضغط مما يؤدي إلى زيادة حجم الغازات الموجود في الدم، مما قد يؤدي ذلك إلى موت الأسماك.

• التنفس

في عملية الشهيق، تتمدد الرئتين بفعل انخفاض مؤقت في الضغط، مما يجعل الضغط داخل الجسم أقل من الضغط الخارجي، وبالتالي يدخل الهواء إلى الجسم. وعندما يحدث الزفير، تسترخي الرئتين ويتناقص حجمها، مما يزيد الضغط مؤقتاً مقارنة بالضغط الخارجي، وبالتالي يخرج الهواء من الجسم.

• الحقنة الطبية

عند إعطاء الحقنة، يتم ضغط المكبس مما يقلل من حجم السائل في أنبوب الحقنة. نتيجة لذلك، يزداد الضغط على السائل، مما يجعله يخرج بسهولة.

• محركات الاحتراق الداخلي

تستخدم هذه المحركات في المصانع، حيث يتم مزج الوقود وضغطه بواسطة المكابس حتى يحدث الاشتعال، مما يؤدي إلى انخفاض مفاجئ في حجم الهواء ويدفع المكبس إلى الداخل، وتستمر هذه العملية بشكل متكرر لتوليد طاقة كبيرة.

• تخزين الغازات

محطات الغاز الطبيعي المضغوط تمثل مثالًا واضحًا لقانون بويل، حيث يتم تخزين الغاز تحت ضغط عالٍ جداً وحجم صغير، مثل اسطوانات غاز الطهي أو اسطوانات الأكسجين الطبي، مما يساهم في توفير مساحة التخزين.

هل كان بويل أول من اكتشف ضغط الغاز؟

لا، فقد سعى العديد من العلماء لتفسير تأثير الضغط على الغازات. قام الفيزيائي الألماني أوتو فون غيريكه في عام 1654 بإجراء تجارب واختراعات عديدة تتعلق بسلوك الغازات، بما في ذلك اختراع الأنبوبة المفرغة.

ساعد هذا الاختراع العالم روبرت بويل وصديقه روبرت هوك في البدء في دراسة خصائص الهواء والفراغ باستخدام هذه الأنبوبة، كما كانت أعمال العالم توريشيللي حول الفراغ دافعاً لمزيد من التجارب من قبل بويل على الغازات.

تدريبات على قانون بويل

إليك بعض الأمثلة المحلولة والتدريبات على قانون بويل:

حساب الضغط النهائي للغاز عند تغير حجمه

في إناء حجمه 5 لتر، يبلغ ضغط كمية من الغاز المثالي 2 ضغط جوي (atm) عند درجة حرارة صفر، احسب ضغط الغاز إذا تم وضعه في إناء حجمه 3 لتر؟

الحل:

• P1V1 = P2V2
• P2 = 2 × 5 / 3
• الضغط النهائي = 3.334 atm

حساب الحجم النهائي للغاز عند تغير الضغط الواقع عليه

حجم غاز الأكسجين 60 سم3 عند ضغط جوي يساوي 49.6 كيلو باسكال، أوجد حجمه عند ضغط 19.6 كيلو باسكال، مع العلم أن درجة حرارته ثابتة.

الحل:

• P1V1 = P2V2
• 60 × 49.6 = 19.6 × V2
• الحجم النهائي = 151.8367 سم3

حساب الحجم النهائي للغاز عند تغير الضغط الواقع عليه

بالون حجمه 4 لتر من الغاز تعرض لضغط مقداره 2 ضغط جوي. إذا انخفض الضغط إلى 0.3 ضغط جوي مع ثبات درجة الحرارة، أوجد حجم البالون الجديد؟

الحل:

• P1V1 = P2V2
• 4 × 2 = 0.3 × V2
• حجم البالون الجديد = 26.67 لتر

حساب الضغط النهائي للغاز عند تغير حجمه

تحتوي اسطوانة مكبس متحرك على 340 سم3 من غاز الأكسجين تحت ضغط 63.6 كيلو باسكال. تحرك المكبس حتى أصبح حجمه يساوي 125 سم3؛ احسب الضغط النهائي داخل الإسطوانة مع العلم أن درجة حرارته ثابتة.

الحل:

• P1V1 = P2V2
• P2 = 63.3 (340 / 125)
• الضغط النهائي = 172.176 كيلو باسكال.

حساب الحجم النهائي للغاز عند تغير الضغط الواقع عليه

توجد عينة من الغاز المثالي حجمها 3 لتر تحت ضغط يساوي 12 ضغط جوي؛ أوجد حجم هذا الغاز إذا أصبح ضغطه يساوي 2 ضغط جوي، مع العلم أن درجة حرارته ثابتة.

الحل:

• P1V1 = P2V2
• 12 × 3 = 2 × V2
• الحجم النهائي للغاز = 18 لتر.

بذلك، يعد قانون بويل من القوانين الأساسية في علم الغازات، حيث يوضح أن حجم كمية معينة من الغاز يتناسب عكسياً مع الضغط عند ثبوت درجة الحرارة. هناك العديد من التطبيقات الحياتية لهذا القانون مثل التنفس والحقن الطبية وغيرها الكثير.