الغازات: الضغط والحجم والحرارة

مايكل وليون يلعبان تنس الطاولة. لقد دست على الكرة. لقد انبعجت. لا يمكننا اللعب بها فقد تلفت. الكرة ليست متلفة، وانما انبعج البلاستيك فحسب. لا يوجد ثقب، لذا ما زال الهواء بداخلها. أعرف كيف أصلحها. علينا وضعها في ماء ساخن! ليون محق، تسخين الكرة المنبعجة يمكن أن يصلحها. ولكن كيف يتم ذلك؟ هذا بفعل العلاقة بين الضغط والحجم وحرارة الغاز الذي يملأ الكرة. لنأخذ الحجم والحرارة أولًا. كرة البينج بونج بلاستيكية تحوي كمية محددة من الهواء. لا يمكن للهواء الدخول أو الخروج منها. عندما نضعها في ماء ساخن، يسخن الهواء بداخلها ويتمدد. الهواء المتمدد يشغل حيزًا أكبر، فيضغط الجدران الداخلية للكرة دافعا البلاستيك المنبعج للخارج. هذا يجعل الكرة دائرية الشكل مجددًا. تعرف هذه العلاقة بين حجم الغاز وحرارته بقانون شارلز. والذي ينص على أن نسبة الحجم إلى الحرارة لكمية محددة من الغاز تكون ثابتة مع ثبات الضغط. هذا يعني أنه عند ثبات الضغط، فحجم الكمية المحددة من الغاز يزيد بالتناسب مع زيادة الحرارة. بينما يسبب انخفاض الحرارة انخفاضًا نسبيا في الحجم. لقد أصبحنا نعرف العلاقة بين الحرارة والحجم، فماذا عن الحرارة والضغط؟ سنحتاج لمثال آخر. هل لاحظت أن عبوات الرش كرذاذ الطلاء عليها تحذير ينص على إبقائها بعيدة عن مصادر الحرارة؟ هل تسائلت لماذا؟ محتويات عبوات الرش مضغوطة بشدة. إذا تعرضت لحرارة مرتفعة، يزيد الضغط داخل العبوة. وبمرور الوقت يزيد ضغط الغاز كثيرا على جدران الحاوية حتى تنفجر. يوضح هذا المثال أنه عند ثبات الحجم، تؤدي زيادة الحرارة إلى زيادة الضغط. توصف العلاقة بين ضغط وحرارة الغاز بقانون أمونتون، ويعرف أيضا بقانون جاي لوساكس. ينص هذا القانون على أن ضغط الغاز الذي له كتلة وحجم ثابتين يتناسب طرديًا مع الحرارة المطلقة للغاز. أي أن نسبة الضغط إلى الحرارة ثابتة عند ثبات الحجم. ماذا عن الضغط والحجم؟ لنعد إلى عبوة الرش. يوجد بداخلها مكونان رئيسيان. الغاز ومادة الطلاء. الغاز مضغوط بشدة. لذا يشغل حيزًا صغيرًا. عندما تضغط على الفوهة، ينخفض الضغط كثيرًا، ويزيد حجم الغاز. هكذا يمكنك تغطية مساحة كبيرة بعبوة رش واحدة. يوضح هذا المثال أن انخفاض حجم الغاز المعبأ يؤدي لارتفاع ضغطه، وزيادة الحجم تؤدي لانخفاض الضغط. ومع انخفاض الضغط يزيد الحجم. هذه العلاقة يوضحها قانون بويل: حجم كمية محددة من الغاز لها حرارة ثابتة يتناسب عكسيًا مع ضغط الذي يتم قياسها عنده. العلاقات التي تصفها قوانين شارلز وجاي لوساكس وبويل هي ثلاث مما تعرف بقوانين الغازات. تنطبق قوانين الغازات تقريبيا على جميع الغازات. تم إصلاح الكرة. هل نلعب مجددًا؟ بالطبع.