نشأة القانون العام للغازات
تم إنشاء القانون العام للغازات في أوائل القرن السادس عشر لمساعدة العلماء في العثور على الأحجام والكميات والضغوط ودرجة الحرارة فيما يتعلق بمسائل الغاز. ولقد توصل العلماء إلى إجابة السؤال التالي، وهو: ما هو المتغير الذي يبقى ثابتًا عند استخدام القانون العام للغازات؟
تتكون قوانين الغاز من ثلاثة قوانين أساسية وهي كالتالي:
- قانون تشارلز .
- وقانون بويل .
- وقانون أفوجادرو .
- تم دمج جميع قوانين الغاز في معادلة الغاز العامة، وقانون الغاز المثالي .
نتيجة قوانين الغاز الأساسية
- تكتشف قوانين الغاز الأساسية الثلاثة، بما في ذلك تطبيقات قانون الغاز المثالي، العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة والحجم وكمية الغاز .
- يؤكد قانون بويل على أن حجم الغاز يزداد كلما انخفض الضغط، بينما يخبرنا قانون تشارلز بأن حجم الغاز يزداد عند زيادة درجة الحرارة .
- يخبرنا قانون أفوجادرو بأن حجم الغاز يزداد بزيادة كميته .
- يُعد قانون الغاز المثالي مزيجًا من القوانين الثلاثة البسيطة للغازات، وقد حدد في ذلك الوقت المتغير الذي يبقى ثابتًا عند استخدام القانون العام للغازات؟
ما هو المتغير الذي يبقى ثابتًا عند استخدام القانون العام للغازات
تشير التجربة إلى أن العديد من خصائص الغاز يمكن أن ترتبط ببعضها البعض في ظروف محددة، حيث تشمل هذه الخصائص الضغط (P) والحجم (V) ودرجة الحرارة (T) بالكلفن وكمية المادة المعبر عنها في الموالاة (n) .
يؤدي ذلك إلى عدم وجود قيم عشوائية لهذه الخصائص في عينة من الغاز، وبدلاً من ذلك يتم تحديد قيم محددة فقط باستخدام بعض العلاقات الرياضية البسيطة .
يتمحور قانون الغاز المثالي حول قوانين الغاز التي تستند إلى تغير خاصية أو أكثر من خصائص الغاز، مثل حجمه أو ضغطه أو درجة حرارته .
هناك قانون غاز واحد يربط بين جميع الخصائص المستقلة للغاز تحت أي ظروف محددة، وهو القانون الذي يُعرف باسم قانون الغاز المثالي .
- P1 × V1 = P2 × V2 .
- حيث P هو الضغط و V هو حجم الغاز
- يتضمن القانون الحالي العلاقة الرياضية التالية بين الضغط (P) وحجم الغاز (V)، وتُعرف باسم قانون تشارلز:
- V1 ÷ T1 = V2 ÷ T2
- حيث V هو حجم الغاز، وT هي درجة حرارة الغاز المطلقة .
- توصل جوزيف لويس إلى العلاقة الرياضية التالية التي تصف الضغط
- P1 ÷ T1 = P2 ÷ T2
- حيث P هو الضغط، و T هي درجة حرارة الغاز المطلقة .
وبعد ذلك تم افتراض قانون أفوجادرو الذي نستنتج الآتي :
- V1 ÷ n1 = V2 ÷ n2
- حيث n يساوي عدد جزيئات الغاز .
- تم استنتاج القانون العام للغازات من خلال دراسة جميع القوانين السابقة واستنتاجاتها
- (T2) ÷ (P2 × V2) = (T1) ÷ (P1 × V1)
مع إضافة قانون أفوجادرو، يتطور قانون الغاز المدمج إلى قانون الغاز المثالي
- P V = n R T
- المتغير الثابت عند استخدام القانون العام للغازات هو ثابت الغاز العام المعبر عنه بالرمز R. ثابت الغاز العام هو ثابت فيزيائي يستخدم في دراسة خصائص الغازات، ويرتبط بمقياس الطاقة في الفيزياء ومقياس درجة الحرارة. يتألف ثابت الغاز المثالي من قوانين بويل وأفوجادرو وتشارلز وجاي لوساك، وبالتالي يمكن تعيين قيمة ثابت الغاز R بقيمة 8.314472 جول لكل كلفن لكل مول .
تطبيقات قانون جاي لوساك
هل نحن عارفون المتغير الذي يظل ثابتا عند استخدام القانون العام للغازات؟ وبالنسبة لتطبيقات قانون جاي لوساك، فهي كما يلي
يتمزق الإطار وعلبة الهواء ويتحرر الضغط عند تعرضها لدرجات حرارة عالية، ويشرح قانون جاي لوساك السبب العلمي وراء هذا الانفجار .
قانون جاي لوساك ينص على زيادة ضغط الغاز مع ارتفاع درجة حرارته، أو العكس .
نشر جاي وساك نتائج تجاربهما في عام 1808، والتي أظهرت العلاقة المباشرة بين الضغط ودرجة حرارة كمية ثابتة من الغاز عند حجم ثابت.
بعض تطبيقات الحياة الواقعية للقانون هي كالتالي :
طنجرة الضغط
عند توفير الحرارة في الطنجرة، يتبخر الماء الموجود داخلها ويتكوّن البخار، ويتم إطلاق البخار بشكل دوري من خلال صمام للحفاظ على ضغط التشغيل داخل الوعاء .
في حال تعطل الصمام ولم يتوقف تدفق الحرارة، يتصاعد الضغط داخل القدر وتنطبق عليه قانون جاي-لوساك الذي يقول إن ضغط الغاز يزداد بزيادة درجة الحرارة عند حجم ثابت. ويمكن أن يؤدي هذا الضغط المرتفع إلى تمزق البوتاجاز وحدوث حوادث مؤسفة .
علبة رذاذ
فعلب الأيروسول أو البخاخات عبارة عن أجهزة تنشر رذاذًا ، أو معلقًا للجسيمات الصلبة الدقيقة ، أو قطرات السائل في الهواء ، وعندما يتم فتح صمام هذه العلبة المعدنية يتم إخراج الغاز الموجود داخلها لتشكيل ضباب ، أو رذاذ وأحد مكونات علبة الأيروسول ، هو مادة دافعة ويتكون الوقود الدافع من مركبات عالية التطاير يتم تسييلها بضغط عالٍ ، ويعطيه الدافع قوة دفع للمكونات الأخرى الموجودة في البخاخ عند فتح الصمام فانفجار علبة الهباء الجوي ، هو مثال على قانون جاي لوساك .
وعندما تتعرض علبة الهواء الجوي لبيئة حارة ، تتبخر المادة الدافعة فتمارس هذه الغازات المتبخرة الضغوط على جدار الزجاجة ، ويزداد الضغط على الحائط مع زيادة درجة الحرارة ، وفقًا لقانون جاي لوساك في النهاية تنفجر العلبة عندما يصبح الضغط غير محتمل ، وهذا هو السبب في أنه يوصى بإبقاء علب الهواء الجوي بعيدًا عن الحرارة .
إطار العجلة
في أيام الصيف الحارة، يمكن للإطارات المنفوخة بشكل مرتفع أن تنفجر بسبب قانون جاي لوساك. فعندما يرتفع الضغط الجوي داخل الأنابيب بسبب ارتفاع درجة الحرارة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى انفجار الإطارات .
انفجار الإطارات في الأيام الحارة هو مثال على قانون جاي لوساك .
سخان الماء
يشبه سخان الماء الكهربائي طباخ الضغط، حيث يقوم بتسخين الماء البارد باستخدام خيوط التسخين الموجودة داخل السخان. ثم يتم إطلاق الماء الساخن من خلال فوهة المخرج، وتقوم السخانات الكهربائية الحديثة بتنظيم درجة حرارة الماء تلقائيا. وفي حالة تعطل النظام وصمام تخفيف الضغط، يتم توليد البخار بواسطة مصدر طاقة مستمر، ويمكن أن يتسبب هذا البخار في تلف السخان. وإذا تجاوز ضغط البخار الحد الأقصى المسموح به، فإن السخان قد ينفجر بسبب البخار المتولد .