نظرة حول الغازات وقانون بويل

يُعرَّف الغاز بأنه إحدى حالات المادة المختلفة الثلاث، وهي: الحالة الصلبة، والحالة السائلة، والحالة الغازية، ويمتاز الغاز بأنه يأخذ شكل الوعاء الذي يوضع فيه مهما كان شكله وحجمه، ويمكن أن يتكون الغاز من ذرات عنصر واحد مثل: الأرغون (Ar)، والهيدروجين (H2)، أو من مركبات تتكون من عنصرين أو أكثر مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وحمض الهيروكلوريك (HCl)، أو مخاليط مثل الهواء والغاز الطبيعي.[١]


من أهم القوانين المتعلقة بالغازات هو قانون بويل الذي يُسمّى أيضاً باسم قانون (ماريوت)، الذي تم اكتشافه على يد العالم بويل عام 1662م، وهو يوضّح العلاقة بين ضغط وحجم الغاز عند ثبوت درجة الحرارة،[٢] وينص قانون بويل على أن العلاقة بين حجم الغاز وضغطه تتناسب عكسياً عند ثبوت درجة الحرارة؛ فعند انخفاض حجم الغاز يزداد ضغطه، وعكس ذلك صحيح أيضاً.[٣]


يمكن التعبير رياضياً عن قانون بويل على الشكل الآتي:[٤]

  • p.v = k؛ حيث:
  • k: ثابت.
  • p: ضغط الغاز.
  • v: حجم الغاز الذي يشغله.


بناء على قانون بويل، فإنّ أي تغيّر في حجم الغاز سيؤدي إلى تغيّر الضغط الذي يبذله الغاز عند درجة حرارة ثابتة، ويمكن التعبير عن ذلك بأن ناتج ضرب الضغط الأولي والحجم الأولي للغاز يساوي ناتج ضرب ضغطه النهائي بحجمه النهائي (عند ثبوت درجة الحرارة)، وبذلك يمكن صياغة القانون رياضيًا على النحو الآتي:[٥]


  • P2.V2 = P1.V1
  • حيث:
  • P1 هو الضغط الأولي الذي يبذله الغاز.
  • V1 هو الحجم الأولي الذي يشغله الغاز.
  • P2 هو الضغط النهائي الذي يبذله الغاز.
  • V2 هو الحجم النهائي الذي يشغله الغاز.


ويمكن ربط ما سبق مع العلاقة بين الضغط والحجم التي اقترحها قانون بويل عند ثبات درجة الحرارة على النحو الآتي:

  • P1.V1 = k = (الضغط الأولي × الحجم الأولي) = ثابت.
  • P2.V2 = k = (الضغط النهائي × الحجم النهائي) = ثابت.
  • P2.V2 = P1.V1


أمثلة على قانون بويل


السؤال:

إذا كانت لدينا كمية ثابتة من الغاز تحتل حجمًا مقداره 1 لتر، وتبذل ضغطاً على الوعاء مقداره 400 كيلو باسكال، فما هو الضغط النهائي الذي يبذله الغاز إذا تم نقله إلى وعاء جديد حجمه 3 لترات على افتراض ثبات درجة حرارة؟[٦]

الحل:
  • الحجم (1) = (V1) = 1 لتر.
  • الضغط (1) = (P1) = 400 كيلو باسكال.
  • الحجم (2) = (V2) = 3 لتر.

تطبيق قانون بويل على ما سبق P2.V2 = P1.V1، لينتج أنّ:

  • P2 = (1 لتر × 400 كيلو باسكال) / 3 لتر = 133.33 كيلو باسكال.



السؤال:

يبذل الغاز ضغطًا مقداره 3 كيلو باسكال على جدران الوعاء (1)، وعند إفراغ الوعاء (1) في وعاء آخر حجمه 10 لترات ازداد ضغط الغاز إلى 6 كيلو باسكال، جد حجم الوعاء (1) (بافتراض ثبات درجة حرارة)؟[٦]

الحل:
  • الضغط (1) = P1 = 3 kPa
  • الضغط (2) = P2 = 6 kPa
  • الحجم (2) = V2 = 10 لتر.

تطبيق قانون بويل على ما سبق: P2.V2 = P1.V1، لينتج أنّ:

  • V1 = (P2.V2) / P1، وبالتالي:
  • V1 = (6 كيلو باسكال * 10 لتر) / 3 كيلو باسكال = 20 لترًا.



تطبيقات على قانون بويل

من التطبيقات المهمة في حياتنا على قانون بويل ما يلي:[٧]

  • الحقن الطبية (بالإنجليزية: Injection): هي أحد الأجهزة الطبية الشائعة، وتقوم في مبدئها على أنّ سحب مكبس الحقنة يؤدي إلى تقليل الضغط فيها؛ بسبب زيادة حجم الغاز في الأنبوب، مما يؤدي إلى اندفاع السائل من جسم المريض نحو الأنبوب لمعادلة الضغط من جديد.
  • فرقعة البالون (بالإنجليزية: Popping a Balloon): وهي من الأمور البسيطة التي تتكرر كثيراً في حياتنا اليومية، فعند محاولة فرقعة البالون عن طريق الضغط عليه، فإنك تعمل على تقليل حجمه وبالتالي زيادة الضغط فيه وفق قانون بويل، مما يؤدي إلى إجهاد النظام، وبالتالي انفجاره لموازنة الخلل الحادث فيه، والأمر نفسه ينطبق عند مل البالون بشكل زائد بالهواء، فذلك يؤدي إلى زيادة الضغط فيه بشكل كبير بالنسبة لحجمه، وبالتالي انفجاره لموازنة الخلل الحادث فيه بسبب ازدياد الضغط بشكل كبير فيه.
  • المرتفعات العالية (بالإنجليزية: High Altitudes): عند الإقلاع أو الهبوط داخل الطائرة، أو عند ركوب مترو الأنفاق، أو القطار تحت الأرض، فإنك تشعر عادة بعدم الارتياح في أذنيك، وانسدادها بسبب تغيّر الضغط في رأسك؛ إذ تحافظ الأذنين عادة على التوازن عن طريق المحافظة على مستوى من الماء فيها للتكيف مع التغيرات المختلفة في الارتفاع، أما عند تغيّر الارتفاع بسرعة كما يحدث أثناء إقلاع الطائرة، فإن الضغط فيها يزداد مع زيادة الحجم، وهو ما يتعارض مع قانون بويل، لذلك يساعد الابتلاع بقوة على تحرير بعض هذا الضغط من خلال فتحة في الحلق تساعد على توازن النظام بين خارج الأذن وداخلها.

المراجع

  1. ↑ Anne Marie Helmenstine (4/5/2019), "Chemistry Glossary Definition of Gas", thoughtco, Retrieved 29/7/2021. Edited.
  2. ↑ Adam Augustyn, "Boyle's law", britannica, Retrieved 28/7/2021.
  3. ↑ By Allison Hork (25/4/2017), "Importance of Boyle's Gas Law in Daily Life", sciencing, Retrieved 28/7/2021. Edited.
  4. ↑ Adam Augustyn, "Boyle's law", .britannica, Retrieved 28/7/2021. Edited.
  5. ↑ " Boyle’s Law", byjus, 2021, Retrieved 29/7/2021. Edited.
  6. ^ أ ب "boyles law", byjus, 2021, Retrieved 29/7/2021. Edited.
  7. ↑ Allison Horky \ Richard Gaughan\Isaiah David (25/4/2017), "Importance of Boyle's Gas Law in Daily Life", sciencing, Retrieved 30/7/2021. Edited.