العالم جاك شارل
يعتبر العالم شارل هو واحد من أحد العلماء الأوروبيين ، وتحديداً الفرنسيين، حيث عاش شارل في الفترة ما بين 1746 م – 1823 م ، وقد تم انتخابه في عام 1795 م ، ليكون عضو في أكاديمية العلوم الفرنسية ، واهتم العالم شارل بالغازات ، حيث يعتبر هو أول من استعمل غاز الهيدروجين لمليء المناطيد حتى اقترن اسمه بها ، وقد كان ذلك في عام 1783 م ، كما استطاع العالم شارل التوصل الى القانون الذي يربط ما بين الضغط والحرارة ، وذلك في عام 1787 م ، وهذا القانون المعروف بقانون شارل ، والذي تم صياغته من قبل لويس جوزيف غي لوساك الفيزيائي والكيمائي الفرنسي ، وذلك في عام 1802 م .
قانون شارل
أحد أهم القوانين الفيزيائية المتعلقة بالغازات هو قانون شارل، ويتناول هذا القانون بشكل خاص الغاز المثالي. ينص القانون على أن حجم كتلة محددة من الغاز المثالي يتغير بنفس المقدار عند ضغط ثابت، سواء زاد الحجم أو نقص بنفس المقدار عند زيادة أو انخفاض درجة الحرارة. بمعنى آخر، يتناسب حجم كمية محددة من الغاز المثالي تحت ضغط ثابت بشكل مباشر مع درجة الحرارة. قام العالم جوزيف لويس غاي-لوساك في عام 1802 بتوضيح هذا القانون، والذي يعود فضل اكتشافه إلى أعمال وتجارب جاك شارل التي لم يتم نشرها منذ عام 1787. ويمكن تعريف القانون بالعلاقة التالية: (V = ثابت × T) .
يصف قانون شارل العلاقة بين درجة حرارة الغاز وحجمه، ويندرج قانون شارل ضمن قوانين الغازات، حيث ينص على أن حجم الغاز يتناسب طرديا مع درجة حرارة الغاز عندما يكون الضغط والكمية ثابتين .
الخصائص العامة للغازات
تتميز الغازات المنتشرة في حياتنا اليومية بخصائص معينة تميز كل مادة من المواد بصورة صلبة، سائلة، أو غازية، وسنتحدث عن خصائص جزيئات العناصر الغازية حيث تتحرك بحركة عشوائية وتصطدم مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى تبادل الطاقة بينها .
تتواجد فراغات كبيرة بين جزيئات الغاز، وتكون طاقتها الحركية عالية وكثافتها قليلة. وتتناسب كثافة المادة بشكل طردي مع زيادة درجة الحرارة، أي أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة، قلت كثافة المادة وزادت طاقتها الحركية .
تتميز الغازات بأنها تتمتع بعامل انضغاط كبير مقارنة بالحالتين السائلة والصلبة للمادة. وتستخدم هذه الخاصية في تطبيقات مثل إطارات السيارات، حيث تتمدد بفعل ضغط الهواء المحتوي فيها. ويتكون الهواء من مزيج من الغازات، وتتبع هذه الغازات سلوكا فيزيائيا يشبه سلوك الأكسجين النقي أو النيتروجين النقي أو أي مادة غازية أخرى. وبالتالي، يمكن ضغط كمية كبيرة من الهواء بمقدار يصل إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف حجم الإطار. وفي حالة حدوث ثقب في الإطار، سيتم دفع الهواء الزائد إلى الخارج، ويتميز هذا السلوك بالغازات جميعها .
تتمتع الغازات بصفة التميع، وذلك عند ارتفاع الضغط إلى مستويات عالية جدا، وإن كان الضغط متفاوتا تبعا لنوع العنصر، أو المركب الغازي الذي يتكون منه، وهنا ندرك أهمية الغازات في حياتنا اليومية .
اكتشف العالم الفرنسي شارل العلاقة بين حجم الغاز ودرجة حرارته، حيث تزداد كمية معينة من الغاز عند ضغط جوي ثابت بشكل خطي مع درجة الحرارة، وهذا يعني أنهما يتناسبان تناسبا طرديا. وظهر العالم شارل على الورقة البيانية أن الخط يمر عند النقطة -273.15 درجة مئوية، وفي عام 1848، اقترح العالم (كلفن) مقياس درجة الحرارة المطلقة، وسمي بمقياس كلفن، ويعتبر الصفر المطلق في هذا المقياس، ويسمى بصفر كلفن، وهو يساوي -273.15 درجة مئوية .
تؤثر العديد من العوامل على حالة الغازات، مثل درجة الحرارة والضغط والحجم وكمية الغاز المعبر عنها بالمولات، فهي تغير حالة الغاز وتؤثر عليها .
تطبيقات على قانون شارل
- تطبيقات قانون شارل الحيوي تشمل الكرة والغاز. على سبيل المثال، عند نفخ كرة داخل الغرفة في يوم بارد، سنلاحظ أن حجم الكرة يتقلص. وبحسب قانون شارل، يأخذ الغاز مساحة أكبر عندما تكون درجة حرارته أعلى .
- يفسر قانون شارل ظاهرة تمدد الهواء داخل منطاد الهواء الساخن. في المنطاد، عندما يتم تسخين الهواء، يتمدد ويأخذ الهواء الساخن حجما أكبر من الهواء البارد عند تساوي كتلتهما. كما أن كثافة الهواء الساخن أقل من كثافة الهواء البارد. عندما يكون الهواء ساخنا بما فيه الكفاية، يكون وزن المنطاد بالهواء الساخن أقل من وزن الهواء البارد المحيط به، وبالتالي يبدأ المنطاد في الارتفاع. وإذا سمح للهواء داخل المنطاد بالبرودة، يقل حجم الغاز وتزداد كثافته، ويبدأ المنطاد في الهبوط حتى يصل إلى الأرض .
- يشرح قانون شارل زيادة الضغط الهوائي داخل الإطارات، حيث يمكننا ملاحظة أن العديد من الأدلة تشير إلى ضرورة قياس ضغط الهواء عندما تكون الإطارات باردة. يحدث هذا لأن الإطارات تتسخن عندما تبدأ في الحركة، مما يؤدي إلى زيادة حرارتها. وفقا لقانون شارل، يزداد حجم الغاز في الإطار، وبالتالي لا يتمدد الإطار كثيرا، مما يؤدي إلى زيادة ضغط الهواء فيه. وهذا يحدث عندما يكون الإطار ساخنا، ويشير ذلك إلى وجود كمية زائدة من الهواء في الإطار .
- كذلك لقانون شارل والعديد من القوانين الأخرى تفسيرا لانتفاخ المخبوزات ، وذلك عند خبزها ، حيث يوجد بعض الجيوب الهوائية الصغيرة من الخميرة ، وبعض المكونات الأخرى ، والتي عند تسخينها تتمدد نتيجة اكتسابها للحرارة ، وذلك يؤدي الي انتفاخ العجينة ، مما يجعل المخبوزات اخف وزنا ، ويتم خبزها بشكل جيد .