تطبيقات طبية
تكمن فائدة البحث في قوانين الغازات ، في أن استخدامات قوانين الغاز متنوعة في العديد من المجالات منها المجال الطبي، ويختلف الاستخدام بحسب اختلاف قانون الغاز:
- قانون بويل؛ يُستفاد منه في الأماكن العميقة والتجاويف المغلقة في جسم الإنسان لمعرفة تأثير الغازات فيها وحساب التغير بالحجم على ارتفاعات مختلفة، وحساب حجم الغازات الكلي داخل الصدر، ويتضح مبدأ القانون في شرح حالة الغواص عند خروجه من أعماق البحر وعند حبسه لأنفاسه وكيف للغازات أن تتمدد في رئتيه وتسبب انتفاخها، كذلك أي شخص مصاب بما يسمى استرواح الصدر.
- قانون تشارلز؛ يُستفاد منه في حساب حرارة الغاز وهذا من خلال دراسة التغير في حجم غاز معين كالهيدروجين، لمعرفة التغير في حرارته، وحساب كمية أكسيد النيتروس المتبقي في أسطوانات الغاز الطبية، كما لهذا القانون دور في مبدأ عمل ميزان الحرارة الغازي.
- قانون جاي لوساك؛ يدرس القانون العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة، لذلك يستخدم باستمرار في صمامات تخفيف الضغط على أسطوانات الغاز، وتعتبر تطبيقاته السريرية قليلة لأن معظم العمليات الفسيولوجية المتعلقة بالإنسان تحدث في حرارة معتدلة تقدر بـ37 درجة.
- قانون الغاز المثالي أو العام؛ ويمكن استخدام كذلك لحساب حجم الأكسجين المتاح في أسطوانات الغاز.
التفاعلات الكيميائية
يُمكن دراسة تطبيقات قوانين الغاز في الجزء الكيميائي من الحياة، في معرفة كمية الغاز المستهلك أو المنبعث في تفاعل كيميائي، وأهم قانون لذلك هو قانون الغاز المثالي، الذي يدرس من خلاله الكيميائيون العلاقة بين كمية الغازات وأحجامها بعد التعرف على درجة حرارتها وضغطها، ويساعد هذا القانون في التعرف على الغازات بالتفصيل ومعالجة المنتجات الغازية والمواد المتفاعلة في أي تفاعل كيميائي لمعرفة كيف يمكن التعامل معها وتوجيهها للاستفادة منها أو التخلص منها بطريقة سليمة، ومن الضروري التعرف على دور القوانين الغازات في التفاعلات الكيميائية الصناعية، وذلك للتعرف على طريقة اختلاطها وتبريدها وتسخينها ونقلها عبر مضخات وأنابيب في نفس المصنع.
عملية التنفس
يبلغ معدل التنفس الطبيعي 0.5 لتر إذا كانت درجة حرارة الغرفة حوالي 22 درجة مئوية، ويخضع بكل تأكيد عملية التنفس بقانون الغازات العام، فتقوم عملية التنفس على مبدأ اختلاف الضغط، فعند ادخال الهواء بالشهيق للرئتين يتحرك الحجاب الحاجز للأسفل لتخفيف الضغط عليها، فيندفع الهواء من المحيط للخارجي للرئة لملء منطقتها ذات الضغط المخفض، ومن ثم تدفع عضلة الحجاب الحاجز على الرئة بالزفير لزيادة الضغط بالرئتين وخروج الهواء ذو الضغط المرتفع، ويوضح القانون بان اختلاف الضغط بمقدار 1 إلى 2 تور أو سنتمتر زئبقي يحقق ما هو مطلوب للتنفس والحفاظ على حياة الإنسان.
مناطيد الهواء وكرات القدم
يوضح قانون تشارلز أن الزيادة في حجم غاز ما تكون طردية مع زيادة درجة حرارته تحت تأثير ضغط ثابت، وهذا واضح في مبدأ عمل مناطيد الهواء التي تضاعف عدد جزيئات الهواء مما يزيد حجمها الأمر الذي يساعد في ارتفاعه، كما أوضح القانون الظاهرة الحادثة في انكماش كرة القدم المنتفخة عند إخراجها في يوم بارد للخارج، كما ويُستفاد منه في نقل وتخزين غاز البروبان عند تحويله لسائل من خلال خفض حرارته وقلة حجمه واقتراب جزيئاته من بعضها.
ما هي قوانين الغازات؟
يوضح في الفقرة التالية قوانين الغازات والعلاقة التي يدرسها كل قانون بين خصائص الغاز الأساسية كالحرارة والضغط والحجم والكتلة:
- قانون بويل؛ الذي يوضح العلاقة بين تغير الضغط عكسيًا مع الحجم عند ثبات درجة الحرارة وعدد الجزئيات.
ضغط الغاز × حجم الغاز = ثابت
ضغط الغاز الأولي × حجم الغاز الأولي = ضغط الغاز الجديد × حجم الغاز الجديد
- قانون تشارلز؛ الذي يوضح بأن العلاقة بين حجم الغاز مع درجة الحرارة المُقاسة بالكلفن هي علاقة طردية عند ثبات الضغط، ويتمثل دور هذا القانون في الحياة اليومية عند انكماش رئة الإنسان أثناء الطقس البارد وانكماش بالون الهواء.
حجم الغاز / درجة الحرارة = ثابت
حجم الغاز الأولي / درجة الحرارة الأولية = حجم الغاز الجديد / درجة الحرارة الجديدة
- قانون جاي لوساك؛ الذي يدرس العلاقة بين الضغط والحرارة في حال ثبوت كتلة غاز ما، إذ يتناسب الضغط طرديًا مع الحرارة المطلقة (المُقاسة بالكلفن).
ضغط الغاز / درجة حرارة الغاز = ثابت
ضغط الغاز الأولي / درجة حرارة الغاز الأولية = ضغط الغاز الجديد / درجة حرارة الغاز الجديدة
- قانون أفوغادرو؛ يدرس العلاقة بين الحجم وكمية الغاز بالمولات في حال ثبوت الضغط ودرجة الحرارة ثابتة.
حجم الغاز عدد المولات = ثابت
حجم الغاز الأولي / عدد المولات الأولي = حجم الغاز الجديد / عدد المولات الجديد
- قانون الغاز المثالي؛ يربط هذا القانون بين قانون بويل وقانون تشارلز، لدراسة سلوك الغازات المثالية التي تقترب لحد كبير من سلوك الغازات الحقيقية، ويعتبر هذا القانون انبثاقًا عن الضغط الحركي لجزيئات الغاز التي تصطدم بجدران الوعاء الذي يحتويه وفقًا لقوانين نيوتن.
ضغط الغاز × حجم الغاز = عدد مولات الغاز × ثابت الغاز المثالي × درجة الحرارة
ض × ح = ن × ر × د؛ بحيث أن:
- ض: ضغط الغاز (كيلوباسكال أو ضغط جوي).
- ح: حجم الغاز (لتر).
- ن: عدد مولات الغاز.
- ر: ثابت الغاز العام 8.3145 جول / (مول.كلفن)
- د: درجة الحرارة (كلفن).
وتتمثل الصورة الأخرى لقانون الغاز العام بما يلي:
ضغط الغاز × حجم الغاز = عدد أفوغادرو × ثابت بولتزمان × درجة الحرارة
- عدد أفوغادرو = 6.0221 × 10 / مول
- ثابت بولتزمان: ثابت الغاز المثالي (ر) / عدد أفوغادرو
الخلاصة
تستخدم قوانين الغازات مثل قانون لوساك أو قانون تشارلز أو غيرها، في العديد من التطبيقات اليومية المهمة في حياتنا، فهي الأساس التي ساعد في تصميم المناطيد وفهم طريقة طيرانها في الهواء، كما أن هذه القوانين، كما أنها ساعدت في فهم وتفسير بعض الظواهر الطبيعية، مثل آلية التنفس عن الإنسان.
