تطبيقات على قانون بويل

من هو العالم بويل

روبرت بويل هو عالم ولد في 25 يناير 1627 في قلعة ليسمور بمقاطعة ووترفورد في أيرلندا وتوفي في 31 ديسمبر 1691 في لندن، إنجلترا. بويل كان شخصية بارزة في الحركة الثقافية والفكرية في القرن السابع عشر، واشتهر بكونه فيلسوفا طبيعيا، خاصة في مجال الكيمياء، ولكن عمله العلمي شمل العديد من المجالات مثل الهيدروستاتيكا والفيزياء والطب وعلوم الأرض والتاريخ الطبيعي والكيمياء. قدم أيضا مساهمات كبيرة في المقالات اللاهوتية والأخلاقية المسيحية بشأن لغة الكتاب المقدس وحدود العقل ودور الفيلسوف الطبيعي كمسيحي. كما رعى العديد من البعثات الدينية وشارك في ترجمة الكتاب المقدس إلى عدة لغات. في عام 1660، ساهم في تأسيس الجمعية الملكية في لندن.

أهم التطبيقات على قانون بويل

على الرغم من اكتشاف قانون بويل للديناميكا الحرارية في منتصف القرن السابع عشر تقريبا، يمكننا رؤية تطبيقات هذا القانون بسهولة في الحياة الواقعية. ومن أهم تطبيقاته التي يمكن تذكرها

لقد رأينا جميعا إبرة طبية أثناء زيارة الطبيب، وهي جهاز طبي يستخدم لحقن أو سحب السوائل، ويتكون من أسطوانة مجوفة تسمى برميل ومكبس منزلق متصل بها. يعمل الإبرة بنفس مبدأ المضخة الترددية، حيث يتم دفع المكبس لحقن السائل، وسحب المكبس لسحب السائل. يتسبب دفع المكبس في تقليل حجم السائل في البرميل، مما يؤدي إلى زيادة مؤقتة في ضغط السائل، ويتم حقن السائل في جسم المريض. وبنفس الطريقة، يتسبب سحب المكبس في زيادة حجم السائل وانخفاض مؤقت في ضغطه، ويتم سحب السائل الخارج.

آليات تنفس الإنسان

الرئتان هما عضوان مهمان في الجسم ويقومان بدور حيوي في الجهاز التنفسي، فعندما تمتد الرئتان يحدث انخفاض مؤقت في الضغط مما يجعل الضغط داخل الجسم أقل من الضغط الخارجي، وبالتالي يتدفق الهواء إلى الجسم وتسمى هذه العملية باسم الاستنشاق، أما عندما تسترخي الرئتان فيصغر حجمهما مما يزيد الضغط داخل الجسم مؤقتا بالنسبة للضغط الخارجي فيخرج الهواء من الجسم وتسمى هذه العملية باسم الزفير

رذاذ الطلاء 

في الهباء الجوي مثل الدهانات البخاخة أو مزيلات العرق، عادة ما يكون هناك مكونان داخل العلبة أي المنتج السائل الأساسي مثل الطلاء أو العطور، وغاز محكم الإغلاق ومحفوظ في حالة ضغط عالٍ بحيث يتم الاحتفاظ به في حالة سائلة عند نقطة الغليان، والتي عادة ما تكون أقل من درجة حرارة الغرفة، عندما تضغط على فوهة علبة الهباء الجوي، يتم فتح مانع تسرب الغاز السائل مما يقلل الضغط ويمنحه طريقًا للهروب، يبدأ الغاز في الغليان على الفور ويتحول إلى غاز ذي حجم متزايد ويدفع العطر أو الطلاء من العلبة في إطار جهوده للانتقال إلى منطقة ذات ضغط أقل، وينطلق الرزار، يمكن رؤية هذا المبدأ نفسه في طفايات الحريق أيضًا.

علب و زجاجات الصودا

 قد لاحظت أنه عندما يقوم شخص بفتح علبة أو زجاجة صودا، يتم فتح الغطاء ببطء مما يسمح للغاز المحتجز بالداخل بالهروب بمعدل متحكم فيه. يحدث ذلك لأن فتح الزجاجة بسرعة عالية يتسبب في تفجر المشروب بشكل مفرط وانتشاره خارج الزجاجة. عملية كربنة الصودا تشمل دفع ثاني أكسيد الكربون من خلال ضغط عال داخل الماء وتقليل حجمه. لذلك، عندما يتم فتح الغطاء ببطء، يقل الضغط على الغاز الموجود في الصودا ويسمح له بالتمدد تدريجيا والهروب من الزجاجة، مما يؤدي إلى تفجر الغاز. عندما يتم هز عبوة أو زجاجة صودا، يختلط الغاز الإضافي الموجود في الجزء العلوي من الزجاجة مع السائل. وعندما يتم إزالة الغطاء، تتمدد فقاعات الغاز بسرعة بينما لا تزال في السائل. وعندما يحاول الغاز الهروب من الزجاجة، يدفع السائل معه مما يسبب حدوث تسرب فوضوي

ومثال على ذلك: إذا اشترى شخص كيسًا من الرقائق المنفوخة بالكامل من متجر على قمة جبل، فمن المحتمل أن ينفجر الكيس أو يتسرب الغاز بمجرد وصول الشخص إلى قاع الجبل، وذلك لأن ضغط الهواء في قمة الجبل أقل منه عند قاعدته، مما يسمح للغاز بالتمدد في الحجم والانفجار.

الغطس أو الغوص

من المتعارف عليه بين الغواصين أنه يجب أن يكون الصعود من المياه العميقة ببطء شديد، وذلك لأن الضغط على الجسم يزداد عندما ينزلق الغواص إلى عمق أكبر تحت الماء، مما يؤدي إلى انخفاض حجم النيتروجين في الدم وتركزه، وعندما يعود الغواص إلى السطح ينخفض الضغط وتتمدد فقاعات النيتروجين في الجسم وتعود إلى حجمها الطبيعي

إذا لم يرتفع الغواص ببطء أو يستخدم غرفة إزالة الضغط، ستعود فقاعات النيتروجين إلى حجمها الطبيعي بسرعة كبيرة، وسيتحول الدم إلى رغوة. وغالبا ما يؤدي ذلك إلى تمزق الأوعية الدموية والمثانة والخلايا والأغشية المخاطية، ويؤدي إلى تمدد الفراغات بين مفاصل الغواصين، مما يتسبب في انحناء الغواص وتعانيه من ألم شديد. وهذا هو سبب وفاة أسماك المياه العميقة عندما يتم اصطيادها وجلبها إلى السطح. لذلك، من المهم ضبط حجم النيتروجين وفقا لقانون بويل عن طريق ضبط الضغط.

إطارات السيارة

 عند ملء الهواء في إطار السيارة، ستلاحظ أن ضغط الهواء يبقى حوالي 30-35 رطل لكل بوصة مربعة (قوة باوند لكل بوصة مربعة). عند دفع الهواء داخل الإطار، يزداد الضغط ويؤدي إلى تقليل حجم جزيئات الهواء بتجميعها معا. يجب أن يكون الضغط في المضخة دائما أعلى من الضغط داخل الإطار حتى يتم ضخ المزيد من الهواء. بسبب ثبات درجة حرارة الهواء في تلك الفترة الزمنية، يمكن رؤية مثال حقيقي على قانون بويل يحدث أمامك

لماذا يستخدم الزئبق في قانون بويل

الزئبق على عكس الجلسرين أو الزيت غير لزج وعلى عكس الماء فهو غير لاصق (متماسك)، لذلك يتدفق بسهولة ولا يلتصق بجوانب الحاوية، أيضًا يتم قياس الضغط على أنه P = hρg حيث (h) هي ارتفاع السائل و (p) هي الكثافة النسبية (الجاذبية النوعية) للسائل و (g) هي التسارع بسبب الجاذبية، وهذا يعني أن (h) يتناسب عكسياً مع الكثافة.

الزئبق أكثر كثافة من الماء بمعدل 13.56 مرة، وبالتالي يرتفع في جهاز بويل إلى ارتفاع 13.56 مرة أقل من الماء. وعند مستوى سطح البحر (ضغط جوي = 760 ملم زئبق)، يرتفع الزئبق في جهاز بويل إلى 760 مم. وإذا استخدم الماء بدلا من الزئبق، فسيصل ارتفاعه إلى 10305.5 مم، مما يتطلب استخدام جهاز طويل ومرهق وغير دقيق للأسباب المذكورة أعلاه

تطبيق قانون بويل في الصناعات

• تخزين الغازات: تقوم العديد من الصناعات بتخزين الغازات تحت ضغط عالي، وذلك يتيح لها تخزين الغاز في حجم صغير، مما يوفر مساحة تخزين كبيرة، ويتم استخدام هذه الطريقة بشكل شائع في محطات الغاز الطبيعي المضغوط
• استخدام محركات الاحتراق الداخلي: يستخدم العديد من الصناعات محركات الاحتراق الداخلي في مصانعها لأغراض الإنتاج، وعند زيادة قوة هذا المحرك يتم خلط الوقود بالهواء وضغطه بواسطة مكابس المحرك، وعندما يكون خليط الوقود والهواء تحت ضغط مرتفع يتم إشعاله، مما يؤدي إلى زيادة الضغط في الهواء ويدفع المكبس داخل الأسطوانة، وتتكرر هذه العملية باستمرار مما ينتج عنها طاقة هائلة لتشغيل الجهاز