قانون بويل: دراسة سلوك الغازات
يشكّل قانون بويل (Boyle’s Law) أحد الأسس الهامة في فهم سلوك الغازات المحصورة في وعاء عند درجة حرارة ثابتة. اكتشفه العالم روبرت بويل عام 1662م، ويُعتبر هذا القانون نقطة انطلاق أساسية في فهم سلوك الغازات المثالية.
شرح قانون بويل
ينصّ قانون بويل على أنّه عند ثبات درجة حرارة الغاز، يتناسب حجم الغاز عكسياً مع الضغط الواقع عليه. بمعنى آخر، إذا زاد الضغط على الغاز، فإنّ حجمه سيقلّ، والعكس صحيح.
يمكن تمثيل هذا القانون رياضيًا بالمعادلة التالية:
P1V1 = P2V2
حيث:
- P1: الضغط الأولي للغاز.
- V1: الحجم الأولي للغاز.
- P2: الضغط النهائي للغاز.
- V2: الحجم النهائي للغاز.
أهمية قانون بويل
يلعب قانون بويل دورًا هامًا في العديد من المجالات العلمية والتطبيقية. فهو يُساهم في فهم سلوك الغازات وفهم العديد من الظواهر الطبيعية.
ومن أهمّ تطبيقات قانون بويل:
- التنفس: عند الشهيق، تتمدد الرئتان نتيجة انخفاض الضغط داخلهما، ممّا يُؤدّي إلى دخول الهواء. وعند الزفير، تقلّ مساحة الرئتين، مما يؤدي إلى زيادة الضغط و خروج الهواء.
- الحقن الطبية: عند الضغط على مكبس الحقنة، يقلّ حجم السائل داخل الأنبوبة، وبالتالي يزداد الضغط. وهذا الضغط يُساعد على دفع السائل إلى خارج الحقنة بسهولة.
- محركات الاحتراق الداخلي: تعمل هذه المحركات على مبدأ ضغط خليط الوقود والهواء، مما يُؤدّي إلى احتراقه وإحداث انفجار. يُساهم هذا الانفجار في دفع المكبس لأسفل، مما يُنتج طاقة حركة.
- تخزين الغازات: يتم تخزين الغازات في اسطوانات تحت ضغط عالي، مما يُقلّل من حجم الغاز. تُستخدم هذه الطريقة في تخزين غاز الطهي، غاز الأكسجين، وغيرها من الغازات.
أمثلة من الحياة اليومية
تُشكل العديد من الأمثلة اليومية تطبيقًا عمليًا لقانون بويل. فمثلاً، عند خروج الأسماك من الماء، ينخفض الضغط بشكل كبير، مما يُؤدّي إلى زيادة حجم الغازات في دمها، وبالتالي موت الأسماك.
هل كان بويل أول من اكتشف ضغط الغاز؟
لا، فقد اهتمّ العديد من العلماء بدراسة سلوك الغازات قبل روبرت بويل. فالعالم الألماني أوتو فون غيريكه (Otto von Guericke) أجرى العديد من التجارب في القرن السابع عشر على سلوك الغازات، بما في ذلك اختراع مضخة الهواء.
ألهم عمل فون غيريكه روبرت بويل وصديقه روبرت هوك (Robert Hooke) لإجراء المزيد من التجارب على الهواء والفراغ.
تدريبات على قانون بويل
سنناقش الآن بعض الأمثلة المحلولة على قانون بويل:
| المسألة | الحل |
|---|---|
| يبلغ حجم كمية من غاز مثالي 5 لتر عند ضغط 2 ضغط جوي. ما هو الضغط إذا وضع الغاز في إناء حجمه 3 لتر؟ |
P1V1 = P2V2 P2 = (2 x 5) / 3 = 3.334 ضغط جوي |
| يبلغ حجم غاز الأكسجين 60 سم3 عند ضغط 49.6 كيلو باسكال. ما هو حجمه عند ضغط 19.6 كيلو باسكال؟ |
P1V1 = P2V2 V2 = (60 x 49.6) / 19.6 = 151.8367 سم3 |
| يبلغ حجم بالون 4 لتر من الغاز عند ضغط 2 ضغط جوي. إذا انخفض الضغط إلى 0.3 ضغط جوي، ما هو حجم البالون الجديد؟ |
P1V1 = P2V2 V2 = (4 x 2) / 0.3 = 26.67 لتر |
| تحتوي اسطوانة مكبس متحرك على 340 سم3 من غاز الأكسجين تحت ضغط 63.6 كيلو باسكال. تحرك المكبس حتى أصبح حجمه يساوي 125 سم3. ما هو الضغط النهائي داخل الإسطوانة؟ |
P1V1 = P2V2 P2 = 63.6 (340 / 125) = 172.176 كيلو باسكال |
| يبلغ حجم عينة من غاز مثالي 3 لتر تحت ضغط 12 ضغط جوي. ما هو حجم هذا الغاز إذا أصبح ضغطه يساوي 2 ضغط جوي؟ |
P1V1 = P2V2 V2 = (12 x 3) / 2 = 18 لتر |
يُعتبر قانون بويل أحد أهمّ القوانين في الفيزياء، والذي يُساهم في فهم سلوك الغازات بشكل دقيق. وهناك العديد من التطبيقات العملية لقانون بويل في مجالات متعددة، مما يجعله قانونًا هامًا في مجالات الدراسة والعمل.
المراجع
- Boyle’s Law, clippard
- What is Boyle’s Law?, byjus
- What Is Boyle’s Law and Why Do I Already Know It?, science.howstuffworks
- Real-life Examples of Boyle’s Law, chemistrygod
- Examples of Boyle’s Law in Various Fields, sciencestruck
- Robert Boyle, beautifulchemistry
- Robert Boyle, chemed.chem.purdue
