الاستخدامات الطبية
تظهر أهمية دراسة قوانين الغازات بوضوح في المجال الطبي، حيث تلعب دوراً محورياً في فهم العديد من العمليات الحيوية وتشخيص وعلاج بعض الحالات المرضية. تعتمد التطبيقات الطبية لقوانين الغازات على القانون المستخدم.
- قانون بويل: يفيد في فهم تأثير الغازات في الأماكن العميقة من جسم الإنسان، مثل التجاويف المغلقة، وحساب التغير في حجم الغازات على ارتفاعات مختلفة، بالإضافة إلى حساب الحجم الكلي للغازات داخل الصدر. يفسر القانون حالة الغواص عند الصعود من الأعماق وحبسه لأنفاسه، وكيف يتمدد الغاز في الرئتين مسبباً انتفاخهما، وكذلك في حالات استرواح الصدر.
- قانون تشارلز: يساعد في تقدير درجة حرارة الغازات من خلال دراسة التغير في حجم غاز معين، مثل الهيدروجين، وحساب كمية أكسيد النيتروس المتبقية في الأسطوانات الطبية. يعتمد مبدأ عمل ميزان الحرارة الغازي على هذا القانون.
- قانون جاي لوساك: يختص بدراسة العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة، ويستخدم في صمامات تخفيف الضغط على أسطوانات الغاز. تطبيقاته السريرية محدودة نظراً لأن معظم العمليات الفسيولوجية في جسم الإنسان تحدث في درجة حرارة معتدلة (37 درجة مئوية).
- قانون الغاز المثالي: يمكن استخدامه لحساب حجم الأكسجين المتاح في أسطوانات الغاز.
في التفاعلات الكيميائية
يمكن الاستفادة من قوانين الغازات في فهم الجوانب الكيميائية، خاصة في تقدير كمية الغازات المستهلكة أو المنبعثة في التفاعلات الكيميائية. يعتبر قانون الغاز المثالي أداة هامة للكيميائيين، حيث يمكنهم من خلاله دراسة العلاقة بين كمية الغازات وأحجامها بعد تحديد درجة الحرارة والضغط.
يساعد هذا القانون في تحديد خصائص الغازات بدقة ومعالجة المنتجات الغازية والمواد المتفاعلة، مما يمكن من التعامل معها بفعالية، سواء للاستفادة منها أو التخلص منها بطرق آمنة. من الضروري فهم دور قوانين الغازات في العمليات الكيميائية الصناعية، بما في ذلك طرق خلط الغازات وتبريدها وتسخينها ونقلها عبر الأنابيب والمضخات المستخدمة في المصانع.
في عملية التنفس
يبلغ متوسط حجم الهواء الداخل والخارج من الرئتين أثناء التنفس الطبيعي حوالي 0.5 لتر عندما تكون درجة حرارة الغرفة حوالي 22 درجة مئوية. تخضع عملية التنفس لقوانين الغازات، حيث تعتمد على مبدأ اختلاف الضغط.
عند الشهيق، يتحرك الحجاب الحاجز للأسفل لتقليل الضغط على الرئتين، مما يؤدي إلى اندفاع الهواء من الخارج إلى الرئة لملء المنطقة ذات الضغط المنخفض. أما عند الزفير، فيضغط الحجاب الحاجز على الرئة لزيادة الضغط بداخلها، مما يدفع الهواء ذو الضغط المرتفع إلى الخارج. يوضح القانون أن اختلاف الضغط بمقدار 1 إلى 2 تور أو سنتيمتر زئبقي يكفي لتحقيق عملية التنفس والحفاظ على حياة الإنسان.
المناطيد وكرات القدم
يشير قانون تشارلز إلى أن حجم الغاز يتناسب طردياً مع درجة حرارته عند ثبوت الضغط، وهو ما يفسر طريقة عمل المناطيد. زيادة درجة حرارة الهواء داخل المنطاد تزيد من حجمه، مما يساعده على الارتفاع.
كما يفسر القانون انكماش كرة القدم عند إخراجها في يوم بارد، حيث يقل حجم الهواء بداخلها مع انخفاض درجة الحرارة. يستفاد من هذا القانون أيضاً في نقل وتخزين غاز البروبان، حيث يتم تحويله إلى سائل عن طريق تبريده وتقليل حجمه وتقريب جزيئاته من بعضها البعض.
ما هي قوانين الغازات؟
فيما يلي توضيح لقوانين الغازات والعلاقات التي تدرسها بين الخصائص الأساسية للغازات، مثل درجة الحرارة والضغط والحجم والكمية:
- قانون بويل: يصف العلاقة العكسية بين الضغط والحجم عند ثبوت درجة الحرارة وعدد الجزيئات.
ضغط الغاز × حجم الغاز = ثابت
ضغط الغاز الأولي × حجم الغاز الأولي = ضغط الغاز الجديد × حجم الغاز الجديد - قانون تشارلز: يوضح العلاقة الطردية بين حجم الغاز ودرجة الحرارة المقاسة بالكلفن عند ثبوت الضغط. يظهر تأثير هذا القانون في الحياة اليومية عند انكماش رئة الإنسان في الطقس البارد وانكماش البالونات.
حجم الغاز / درجة الحرارة = ثابت
حجم الغاز الأولي / درجة الحرارة الأولية = حجم الغاز الجديد / درجة الحرارة الجديدة - قانون جاي لوساك: يدرس العلاقة بين الضغط والحرارة عند ثبوت كتلة الغاز، حيث يتناسب الضغط طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة (المقاسة بالكلفن).
ضغط الغاز / درجة حرارة الغاز = ثابت
ضغط الغاز الأولي / درجة حرارة الغاز الأولية = ضغط الغاز الجديد / درجة حرارة الغاز الجديدة - قانون أفوغادرو: يدرس العلاقة بين الحجم وكمية الغاز بالمولات عند ثبوت الضغط ودرجة الحرارة.
حجم الغاز / عدد المولات = ثابت
حجم الغاز الأولي / عدد المولات الأولي = حجم الغاز الجديد / عدد المولات الجديد - قانون الغاز المثالي: يربط بين قانون بويل وقانون تشارلز لدراسة سلوك الغازات المثالية التي تقترب من سلوك الغازات الحقيقية. يعتبر هذا القانون نتيجة للضغط الحركي لجزيئات الغاز التي تصطدم بجدران الوعاء الذي يحتويه، وفقًا لقوانين نيوتن.
ضغط الغاز × حجم الغاز = عدد مولات الغاز × ثابت الغاز المثالي × درجة الحرارة
ض × ح = ن × ر × د؛ بحيث أن:
ض: ضغط الغاز (كيلوباسكال أو ضغط جوي).
ح: حجم الغاز (لتر).
ن: عدد مولات الغاز.
ر: ثابت الغاز العام 8.3145 جول / (مول.كلفن)
د: درجة الحرارة (كلفن).
الصورة الأخرى لقانون الغاز العام:
ضغط الغاز × حجم الغاز = عدد أفوغادرو × ثابت بولتزمان × درجة الحرارة
عدد أفوغادرو = 6.0221 × 1023/ مول
ثابت بولتزمان: ثابت الغاز المثالي (ر) / عدد أفوغادرو
الاستنتاج
تُستخدم قوانين الغازات، مثل قانون لوساك أو قانون تشارلز وغيرها، في العديد من التطبيقات اليومية المهمة في حياتنا. إنها الأساس الذي ساعد في تصميم المناطيد وفهم كيفية طيرانها في الهواء، كما ساهمت هذه القوانين في فهم وتفسير بعض الظواهر الطبيعية، مثل آلية التنفس لدى الإنسان.
المصادر والمراجع
- Gurmukh Chandan and Marco Cascella (3/9/2020),”Gas Laws and Clinical Application”,National Center for Biotechnology Information – U.S. National Library of Medicine, Retrieved 6/7/2021. Edited.
- “6.4: Applications of the Ideal Gas Equation”,The LibreTexts libraries, 25/8/2020, Retrieved 6/7/2021. Edited.
- Lee Johnson (31/3/2021),”5 Space Science Kits That Are Out of This World”,SCIENCING, Retrieved 7/7/2021. Edited.
- “The Ideal Gas Law and Some Applications”,BCcampus, Retrieved 6/7/2021. Edited.
- Erik Gregersen (10/9/2020),”Gas laws”,Britannica, Retrieved 6/7/2021. Edited.
- “Boyle’s Law: Volume and Pressure”,Lumen, Retrieved 7/7/2021. Edited.
- “Charle’s Law”,AaKash BYJU’S, Retrieved 7/7/2021. Edited.
- “Fundamental gas laws relevant to critical care medicine”,derangedphysiology, Retrieved 7/7/2021. Edited.
- “Gas Laws”,chem.fsu., Retrieved 7/7/2021. Edited.
- “Gas Laws”,ScienceDirect, Retrieved 6/7/2021. Edited.
- “Ideal Gas Law”,hyperphysics, Retrieved 6/7/2021. Edited.
