قانون شارل وبويل

قانونا شارل وبويل هما من أهم قوانين الغازات التي اعتمدت على مجموعة من الخواص الفيزيائية الخاصة بالغازات، أهمها أنّ كثافة الغازات أقل بكثير من كثافة المواد الصلبة أو السائلة، وأنَّ جميع الغازات قابلة للضغط بغض النظر عن طبيعتها، ونسبة وجودها في الوسط الذي نعيش فيه، وفي هذا المقال سنقوم بدراسة كلاً من قانون شارل وقانون بويل على حدة للتوصل إلى مجموعة الأفكار التي خدمت علم الكيمياء.

يدرس قانون شارل العلاقة بين درجة الحرارة والحجم، حيث درس العالم جاكوس شارلز مدى تأثير درجة الحرارة على حجم الغاز، وتوصل إلى أنه عند ثبوت ضغط نوع من الغازات، فإن التناسب بين حجمه ودرجة حرارته يكون طردياً، أي أنّ درجة الحرارة تزداد بزيادة حجم الغازعند ثبات الضغط، والعكس صحيح.

وُجد أن التمثيل الهندسي لقانون شارل هو رسم خط مستقيم، بحيث يتقاطع هذا الخط مع المحور الصادي (محور الحجم) أي أنّ درجة الحرارة تساوي -٢٧٣٫١٥ º م عندما يكون الحجم صفراً، وفي عام 1848م أجرى العالم كلفن دراسات أثبتت أن درجة الحرارة عندما يكون حجم الغاز صفراً هي أقل درجة حرارة يُمكن أن يصل إليها الغاز، ثم أطلق عليها مصطلح ألا وهو (الصفر المطلق).

يمكننا التعبير عن قانون شارل رياضياً كما يأتي:

• الحجم ∝ درجة الحرارة
• الحجم = ثابت×درجة الحرارة
• ثابت = الحجم / درجة الحراة

وعند تحول الغاز من حالة إلى أخرى يكون القانون كالآتي :

( الحجم 1 / درجة الحراة1 ) = ( الحجم 2 / درجة الحرارة2 )

ولا بد أن تكون درجة الحرارة بوحدة كلفن.

• مثال: أسطوانة يوجد فيها 0.3 لتر من غاز النيتروجين، تم تسخينها على درجة حرارة 315 كلفن، احسب درجة الحرارة النهائية للغاز عندما يكون حجمه 0.6 لتر بثبوت الضغط.
• الحل: ( الحجم 1 / درجة الحراة1 ) = ( الحجم 2 / درجة الحرارة2 )

0.3 لتر / 315 كلفن = 0.6 لتر / درجة الحرارة2

( 0.6 لتر × 315 كلفن ) / 0.3 لتر = درجة الحرارة2

630 كلفن = درجة الحراة2

أجرى العالم بويل مجموعة من التجارب التي دوَّن نتائجها في جدول يدرس العلاقة بين ضغط الغاز وحجمه بثبوت درجة حرارته، وتوصل بعد جهد إلى أنّ التناسب عكسيٌّ بين الضغط والحجم؛ أي أنّ ضغط الغاز يقل عندما يزداد حجمه عند نفس درجة الحرارة.

يمكننا التعبير عن قانون بويل رياضياً كما يأتي:

• الضغط ∝ (1 / الحجم)

نستبدل علامة التناسب بقيمة الثابت فتصبح المعادلة كما يأتي:

• الضغط = ثابت × (1 / الحجم)

أي أنَّ الضغط×الحجم= ثابت

عند تحول الغاز من حالة إلى أخرى يصبح القانون كالآتي :

الضغط1 × الحجم1 = الضغط2 × الحجم2

• مثال: منطاد حجم الغاز فيه 30 لتراً عند ضغط 103باسكال، ما قيمة ضغط الغاز فيه عندما يكون حجم الغاز فيه 20 لتراً بثبوت درجة الحرارة؟
• الحل: الضغط1 × الحجم1 = الضغط2 × الحجم2

103 باسكال×30 لتر=20 لتر×الضغط2

(103 باسكال×30 لتر) / 20 لتر= الضغط2

154.5 باسكال = الضغط2 .