كيف تؤثر درجة الحرارة في حجم الغاز

الغازات حالةٌ من حالات المادّة الثلاث - الصّلبة والسّائلة والغازيّة - بحيث توجد بعض العناصر في الحالة الغازيّة في الطّبيعة، وتتراوح هذه الغازات ما بين غازات نشطةٍ كيميائيًّا أي تدخل في التَّفاعلات الكيميائيّة كغاز الأكسجين الهامّ لبقاء الكائنات الحية على قيد الحياة ولعمليات احتراق الغذاء داخل الخلايا الحيّة، وغاز النيتروجين الذي يدخل في السّماد الطبيعيّ للنبات وغيرها من الغازات ذات النّفع أو الضّرر حسب المستخدم لها، وغازاتٌ خاملةٌ تسمى الغازات النبيلة والتي لا تدخل في التّفاعلات الكيميائيّة وإنمّا لها استخداماتٌ خاصّة كعوازل أو مبدلاتٍ حراريّةٍ...إلخ

يمتاز تركيب أيّ غازٍ؛ بأنّ البُنية التركيبيّة لجزيائته تكون متباعدةً والرَّوابط بين هذه الجزيئات ضعيفةً إلى حدٍّ كبيرٍ ويمكن تحطيمها بسهولةٍ؛ لذلك نجد الغاز سريع الانتشار والتَّطاير، وسهل التَّمدد والانضغاط فيأخذ شكل وحجم الوعاء الذي يوضع فيه، أمّا من حيث اللّون والمذاق والرائحة فهذا يختلف من غازٍ إلى آخر.

الغازات عمومًا تتأثر بثلاثة عوامل هي:

• الضَّغط.
• درجة الحرارة.
• حجم الوعاء الذي يوضع فيه الغاز.

لذلك وجد علماء الفيزياء بالتجربة والاستنتاج العلميّ السّليم في بداية القرن التّاسع الميلاديّ، أنّ هناك علاقةً رياضيّةً تربط بين هذه العوامل الثلاث، خاصّةً في حال أنْ يكون أحد العوامل ثابتًا والآخران متغيران؛ فنتج عن ذلك ما عُرف بقوانين الغازات الثّلاث وهي:

• قانون بويل؛ عند ثبات درجة الحرارة.
• قانون شارل؛ عند ثبات الضَّغط.
• قانون جاي لوساك؛ عند ثبات الحجم.

جاك شارل عالمٌ فيزيائيٌ فرنسيٌّ عاش في القرن الثَّامن عشر، تمكّن من خلال عمله بالمناطيد وتعامله مع الغازات إلى اكتشاف وجود علاقةٍ ما بين حجم الغاز ودرجة الحرارة في حال ثبات الضَّغط، وأثبت أنّ العلاقة بينهما علاقة طرديّة أي كلما زاد أحدهما زاد الآخر والعكس صحيح.

نصّ قانون شارل على أنّ:"حجم كميّةٍ معينةٍ من الغاز تحت ضغط ٍثابتٍ تتغير طرديًّا مع درجة الحرارة بالكلفن".

وصيغ القانون رياضيًّا على النَّحو التّالي:

k= V/T

بحيث إنّ: k= ثابت الغاز وهي قيمة ثابتةٌ لكلِّ غازٍ

V= حجم الغاز ويقاس باللتر ومشتقاتها أو وحدات الطول المكعبة

T= درجة الحرارة مقاسّةً بالكلفن

كما أنّ قانون شارل أوجد العلاقة ما بين غازين بمقارنة حجميها ودرجة حرارتيهما عند ثبات الضغط لهما؛ وذلك لإيجاد إحدى القيم بمعلوميّة القيم الأخرى:

V1.T2= V2.T1

قانون شارل يُمثّل هندسيًّا في المستوى الإحداثيّ، بحيث تُمثل درجة الحرارة المحور السينيّ وحجم الغاز المحور الصّاديّ، والمنحنى الناتج من هذه العلاقة هو خط مستقيم بميلٍ يساوي الضّغط.