تعريف قانون بويل
يُعرف قانون بويل (بالإنجليزية: Boyle's Law ) بأنّه من القوانين الأساسية الذي يدرس سلوك الغاز المحتجز في وعاء عند درجة حرارة ثابتة، اكتُشف هذا القانون على يد العالم روبرت بويل عام 1662م، واشتُق قانون الغاز المثالي بناءً على قانون بويل.
يُمكن تطبيق هذا القانون من خلال نفخ الهواء في بالون، إذ إنّ ضغط الهواء داخل البالون يجعل البالون يتمدد، ومع زيادة كمية الهواء يؤدي ذلك إلى انفجار البالون نتيجة أنّ الضغط داخل البالون أصبح كبيرًا جدًا.
صيغة قانون بويل
تُكتب صيغة قانون بويل عند ثبات درجة الحرارة وتغيّر الضغط الواقع على عيّنة من الغاز، ويمكن التعبير عن قانون بويل بالكلمات كالآتي: يتناسب الحجم الذي يشغله الغاز عكسيّاً مع تغيّر الضغط الواقع عليه، ويُمكن التعبير عنه بصيغة رياضية من خلال القانون الآتي:
ث= ضxح
حيث إن:
- ث: هو ثابت الغاز.
- ض: هو ضغط الغاز، ويقاس من خلال عدة وحدات، مثل: (البار، أو مم زئبق، أو باسكال، أو ضغط جوي (atm)).
- ح: هو حجم الغاز، ويُقاس من خلال عدة وحدات، مثل: (السنتيمتر مكعّب، أو اللتر، أو ديسيلتر، وغيرها).
بالإضافة إلى ذلك، يتضمّن قانو بويل أنّه عند حدوث أيّ تغيير في الحجم الذي يشغله الغاز سيؤدي ذلك إلى تغيير في الضغط الواقع عليه، ويكون ناتج الضغط الأولي والحجم الأولي للغاز مساوياً لناتج الضغط النهائي والحجم النهائي؛ علمًا بأنّ درجة الحرارة ثابتة في الحالتين، والتي يُمكن التعبير عنها رياضيًا على النحو الآتي :
P1V1 = P2V2
حيث إنّ:
- P1: الضغط الأولي للغاز.
- V1: الحجم الأولي الذي يشغله الغاز.
- P2: الضغط النهائي للغاز.
- V2: الحجم النهائي الذي يشغله الغاز.
أهمية قانون بويل
يُعدّ قانون بويل من الإنجازات المهمّة التي وضّحت سلوك الغازات وسهّلت على العلماء والدارسين هذا المجال، وهناك الكثير من التطبيقات العملية التي لا يُمكن الاستغناء عنها في الحياة العملية، والتي تعتمد بشكل أساسي على قانون بويل.
أمثلة من الحياة اليومية على قانون بويل
هناك العديد من الأمثلة العملية الحياتية على قانون بويل؛ ومن أهمّ هذه الأمثلة ما يأتي:
يُعدّ موت الأسماك عند خروجها من الماء إحدى أهم التطبيقات العملية لقانون بويل، ويعود ذلك إلى أنّه عند خروج الأسماك ينخفض الضغط بشكل كبير، ممّا يؤدي إلى زيادة حجم الغازات المتواجدة في الدم، وبالتالي موت الأسماك.
وذلك في عملية الشهيق، حيث تتمدد الرئتين نتيجة حدوث انخفاض مُؤقّت في الضغط، فيُصبح الضغط داخل الجسم أقلّ من الضغط الخارجي، ممّا يؤدي إلى دخول الهواء إلى الداخل الجسم، وتحدث عملية الزفير عندما تسترخي الرئتين، ويقلّ حجمها مما يؤدي إلى زيادة الضغط بشكل مؤقت مقارنةً بالضغط الخارجي فيخرج الهواء من الجسم.
عند حقن المريض يتمّ الضغط على مكبس الحقنة فيقلّ حجم السائل في أنبوبة الحقنة، وبالتالي يزداد الضغط على السائل، ممّا يجعله يندفع نحو الخارج بسهولة.
تُستعمل هذه المحركات في المصانع، فعند زيادة القوة يُمزج الوقود ويُضغط المزيج بالمكابس حتى يشتعل، ممّا يُحدث انخفاضاً مفاجئاً في حجم الهواء، وبالتالي يندفع المكبس إلى داخل الأسطوانة، وتستمر هذه العملية في التكرار حتى تحدث طاقة هائلة لتشغيل الجهاز.
تُعتبر محطات الغاز الطبيعي المضغوط إحدى الأمثلة الحياتية على قانون بويل، إذ تُخزّن الكثير من الصناعات الغازات تحت ضغط كبير جدًا، وبحجم منخفض، مثل: اسطوانات غاز الطهي، أو اسطوانات الأكسجين الطبي، وغيرها، ممّا يوفّر من مساحة التخزين.
هل كان بويل أول من اكتشف ضغط الغاز؟
لا، فقد سعى العديد من العلماء لتفسير حالة الغازات مع الضغط ، فقد أجرى العالم الفيزيائي الألماني أوتو فون غيريكه في عام 1654م العديد من التجارب والاختراعات في سلوك الغازات، منها اختراع الأنبوبة المفرّغة.
حيث ساعد ذلك العالم روبرت بويل وصديقه روبرت هوك على البدء في اكتشاف خصائص الهواء والفراغ باستعمال هذه الأنبوبة، بالإضافة إلى أنّ دراسة العالم توريشيللي للفراغ لفت انتباه روبرت بويل ممّا ساعده على إجراء العديد من التجارب على الغازات.
تدريبات على قانون بويل
فيما يأتي أمثلة محلولة وتدريبات على قانون بويل:
حساب الضغط النهائي للغاز عند تغير حجمه
في إناء حجمه 5 لتر يبلغ ضغط كمیة من الغاز المثالي 2 ضغط جوي (atm) عند درجة حرارة صفر؛ احسب ضغط الغاز إذا وضع في إناء حجمه 3 لتر؟
الحل:
- P1V1 = P2V2
- P 2 =2 x 5 /3
- الضغط النهائي= 3.334 atm
حساب الحجم النهائي للغاز عند تغير الضغط الواقع عليه
يبلغ حجم غاز الأوكسجين 60 سم عند ضغط جوي يساوي 49.6 كيلو باسكال، أوجد حجمه عند ضغط 19.6 كيلو باسكال، مع العلم أنّ درجة حرارته ثابتة.
الحل:
- P1V1 = P2V2
- 60x 49.6 =19.6 xV2
- الحجم النهائي = 151.8367 سم
حساب الحجم النهائي للغاز عند تغير الضغط الواقع عليه
بالون حجمه 4 لتر من الغاز، تعرض لضغط مقداره 2 ضغط جوي، إذا انخفض الضغط إلى 0.3 ضغط جوي مع ثبات درجة الحرارة، أوجد حجم البالون الجديد؟
الحل:
- P1V1 = P2V2
- 4x 2 = 0.3 xV2
- حجم البالون الجديد = 26.67 لتر
حساب الضغط النهائي للغاز عند تغير حجمه
تحتوي اسطوانة مكبس متحرك على 340 سم من غاز الأكسجين تحت ضغط 63.6 كيلو باسكال، تحرك المكبس حتى أصبح حجمه يساوي 125 سم ؛ احسب الضغط النهائي داخل الإسطوانة مع العلم أنّ درجة حرارته ثابتة.
الحل:
- P1V1 = P2V2
- P 2 = 63.3 (340 /125)
- الضغط النهائي = 172.176 كيلو باسكال.
حساب الحجم النهائي للغاز عند تغير الضغط الواقع عليه
هناك عینة من الغاز المثالي حجمه 3 لتر تحت ضغط يساوي 12 ضغط جوي؛ أوجد حجم هذا الغاز إذا أصبح ضغطه يساوي 2 ضغط جوي، مع العلم أنّ درجة حرارته ثابتة
الحل:
- P1V1 = P2V2
- 12 × 3 = 2 ×V 2
- الحجم النهائي للغاز = 18 لتر.
يُعدّ قانون بويل أحد قوانين الغازات المهمّة التي اشتُقّ على أساسها قانون الغاز المثالي، وينص القانون على أنّ حجم كمية معينة من الغاز يتناسب تناسباً عكسياً مع الضغط عند ثبوت درجة حرارته، وهناك الكثير من التطبيقات الحياتية لقانون بويل: كالتنفس، والحقن الطبية، وغير ذلك الكثير.
