قانون تشارلز للغازات

قانون تشارلز للغازات

نص قانون تشارلز للغازات

ينص قانون تشارلز للغازات على أنّ حجم غاز ما يتغيّر بشكل طردي مع درجة الحرارة إذا كان الضغط ثابتًا، ويُذكر أنّ قانون تشارلز للغازات (بالإنجليزية: Charles's Law) يُعدّ أحد أهمّ قوانين الفيزياء الخاصّة بالغازات، ويختص بالغاز المثاليّ تحديداً.[١]


يُشار إلى أنّه عند مضاعفة درجة الحرارة بالكلفن لأيّ عينة من الغاز محصورةً في وعاء غير مرن - أيّ غير قابل للتمدد -؛ فإنّ عدد التصادمات لذرات الغاز لكلّ وحدة مساحة في الثانية سيزيد بمقدار (2)½، وبالقدر نفسه سيزداد زخم هذه التصادمات، وهذا يعني أنّ الضغط يتضاعف، وبالمقابل، عند مضاعفة درجة الحرارة لعينة الغاز ذاتها بعد وضعها في وعاء قابل للتمدد، سيُمنع في هذه الحالة الضغط من الارتفاع، أي سيبقى ثابتًا، وسيتضاعف حجم الغاز وِفقًا لقانون تشارلز.[٢]


معادلة قانون تشارلز للغازات

وِفقًا لنص قانون تشارلز للغازات المذكور سابقاً؛ يُمكن تمثيل معادلة تشارلز رياضيًا بالقانون الآتي:[٣]

حجم الغاز/ درجة الحرارة المطلقة = الثابت

وبالرموز:

ح/ د = ر

حيث إنّ:

  • ر: الثابت.
  • ح: حجم الغاز.
  • د: درجة الحرارة المطلقة وتُقاس بالكلفن.


يوجد معادلة أخرى تابعة لقانون تشارلز للغازات، وتُعدّ الأكثر شيوعًا:[٤]

حجم الغاز الأولي / درجة الحرارة الأولية = حجم الغاز النهائي / درجة الحرارة النهائية

وبالرموز:

ح1 / د1 = ح2 / د2

حيث إنّ:

  • د1: درجة الحرارة الأولية.
  • ح1: حجم الغاز الأولي.
  • د2: درجة الحرارة النهائية.
  • ح2: حجم الغاز النهائي.


أمثلة حسابية على قانون تشارلز للغازات

إيجاد حجم الغاز النهائي

إذا كان حجم غاز في علبة ما 1500 مل عند حرارة 22 مئوية، كم حجم الغاز عند حرارة 0 مئوية عند ثبات الضغط.

الحل:

  • في البداية يجب تحويل درجات الحرارة المئوية إلى درجات الحرارة المطلقة بالكلفن، مع الإشارة إلى أنّ
  • درجة كلفن = الدرجة المئوية (سلسيوس) + 273.15.[٥]
  • 22 درجة مئوية + 273.15 = 295.15 كلفن.
  • 0 درجة مئوية + 273.15 = 273.15 كلفن.
  • باستخدام القانون:
  • حجم الغاز الأولي / درجة الحرارة الأولية = حجم الغاز النهائي / درجة الحرارة النهائية
  • تُعوَّض القيم في قانون تشارلز كالتالي:
  • 1500 / 295.15 = حجم الغاز النهائي/ 273.15، ومنها:
  • حجم الغاز النهائي = 1388.19 مل.


إيجاد درجة الحرارة النهائية

يصل حجم غاز ما عند درجة حرارة مئوية 82 إلى 7.82 لتر، كم ستكون درجة الحرارة بالكلفن إذا كان حجم الغاز 6.45 لتر.

الحل:

  • في البداية تُحوّل درجات الحرارة المئوية إلى درجات الحرارة المطلقة بالكلفن:
  • 82 درجة مئوية + 273.15 = 355.15 كلفن.
  • باستخدام القانون:
  • حجم الغاز الأولي / درجة الحرارة الأولية = حجم الغاز النهائي / درجة الحرارة النهائية
  • تُعوّض القيم في قانون تشارلز كالآتي:
  • 7.82/ 355.15 = 6.45 / د2، ومنها:
  • درجة الحرارة النهائية = 292.93 كلفن.


أبرز التطبيقات على قانون تشارلز للغازات

هناك العديد من التطبيقات في الحياة اليومية والعملية على قانون تشارلز للغازات، ومن أبرزها ما يأتي:

  • المنطاد: عند اشتعال الوقود في المنطاد فإنّ الهواء بداخله يُصبح ساخنًا، وبناءً على قانون تشارلز؛ فإنّ درجة الحرارة ترتفع، وبالتالي يزيد حجم الهواء، فتُصبح كثافة الهواء الموجود في المنطاد أقل من كثافته في الغلاف الجوي، وبالتالي يرتفع المنطاد عاليًا في الهواء.[٦]
  • انفجار زجاجة مزيل العرق: يجب عدم تعريض زجاجة مزيل العرق إلى درجات حرارة عالية، فوِفقًا لقانون تشارلز فإنّ ارتفاع درجات الحرارة يزيد حجم جزيئات الغاز داخل الزجاجة، ممّا يُؤدي إلى انفجارها.[٦]
  • المخبوزات: ينتج عن استخدام الخميرة في صناعة المخبوزات غاز ثاني أكسيد الكربون، وعند تعريض الخليط إلى درجات حرارة عالية، فإنّ غاز ثاني أكسيد الكربون يتمدّد، ممّا يجعل المخبوزات كقالب الكيك إسفنجية.[٦]
  • فتح علبة المشروبات الغازية: عند فتح علبة المشروبات الغازية الدافئة، فإنّ حجم الغاز يزداد بسبب ارتفاع درجة الحرارة وهو ما يُسبّب ظهور الفقاعات في المشروب.[٦]
  • طوق السباحة العائم: عند نفخ طوق النجاة بالهواء ووضعه في الماء سيُلاحظ أنّه يبدو غير منفوخ قليلًا، ويُفسّر ذلك حسب قانون تشارلز بأنّ درجة حرارة الماء قليلة ممّا يتسبّب في انخفاض حجم الهواء داخل الطوق.[٧]


وضع الفيزيائي تشارلز قانون تشارلز للغازات، والذي يُوضّح كيف يتأثّر حجم الغاز في الحرارة عندما يكون الضغط ثابتًا، ويعتمد قانون تشارلز استخدام درجة الحرارة المطلقة التي تقاس بالكلفن وتعادل 273.15 درجة مئوية، ويُذكر أنّ القانون يفسّر الكثير من الظواهر الطبيعية والفيزيائية في الحياة اليومية، منها: آلية عمل المنطاد.


المراجع

  1. "Charless-law", britannica, Retrieved 3/9/20221.Edited
  2. "What is Charles' law?", scientificamerican, Retrieved 3/9/2021. Edited.
  3. "gas-laws", britannica, Retrieved 3/9/2021. Edited
  4. "charles'-law-formula", omnicalculator, Retrieved 3/9/2021. Edited
  5. "Celsius to Kelvin", metric-conversions, Retrieved 5/9/2021. Edited.
  6. ^ أ ب ت ث "Top 6 Applications of Charles Law in Daily Life", physicsinmyview, Retrieved 3/9/2021. Edited
  7. "examples-charles-law-daily-life", studiousguy, Retrieved 3/9/2021. Edited
293 مشاهدة
Top Down