كيف يكون ضغط الغاز

ضغط الغاز

يعبّر الضغط عامّة عن القوّة المؤثّرة من قِبل مادة ما على وحدة المساحة من مادة أخرى، أمّا ضغط الغاز فهو القوّة المبذولة من قِبل الغاز على جدران الوعاء، ويمكن ملاحظة قوّة ضغط الغاز عند نفخ البالون، فعند البدء في نفخه ستزداد مساحته لأنّ ضغط جزيئات الهواء داخل البالون أكبر من الضغط خارج البالون.

كيفية نشوء ضغط الغاز

تؤثّر الموائع وهي الغازات والسوائل بالضغط في المواد الأخرى، كالضغط الناتج من الأجسام الصلبة تماماً، وقد يبدو هذا الأمر غريباً بسبب عدم قدرة البعض على تصوّر نشوء ضغط من مطرقة سائلة على مسمار حديديّ على سبيل المثال، وللتمكّن من تخيّل ضغط الموائع يجب الإشارة إلى الضغط المتكوّن على جسم شخص ما عندما يسبح لعمق معيّن في الماء، فإنّ الماء الواقع فوق جسم الشخص سيدفعه للأسفل بفعل قوّة الجاذبيّة الأرضيّة وسيؤثّر بضغط فيه، وعند السباحة لعمقٍ أكبر ستزداد قيمة الضغط الناشئة على الجسم، كالسوائل فإنّ الغازات تؤثّر بالضغط في الأجسام الأخرى أيضاً، ومثال على ذلك وزن الهواء في الغلاف الجويّ والذي يكوّن ضغط الهواء ، وغالباً ما نكون في أسفل هذا الغلاف الجويّ، ويتميّز الضغط الذي يؤثّر في جسم الإنسان نتيجةً للغلاف الجوي بأنّه ضخماً، لكننا لا نشعر به لأنّه موجود بالمقدار نفسه منذ البداية، حيث إنّنا لا نشعر به إلّا عند تغيّر مقدار قيمته للأعلى أو للأسفل، ويمكن الإحساس بهذا التغيّر عند الإقلاع بالطائرة أو عند السباحة في أعماق المياه، وعلى الرغم من قيمة الضغط الكبيرة إلّا أنّها لا تؤثّر في الإنسان وذلك لأنّه يصدر قوّة للخارج توازن قيمة هذا الضغط.

تتغيّر قيمة الضغط الجويّ مع الارتفاع تماماً كتغيّر قيمة الضغط كلّما زاد العمق داخل الماء، فكلّما كان الارتفاع عن سطح الأرض أكبر كلّما قلّت قيمة الضغط الجوي؛ لذلك فإنّ الضغط الناشىء على متسلقي الجبال العالية يكون أقل؛ وذلك لأنّ كميّة الهواء المكوّن من الغازات المختلفة يكون أقل، والعكس صحيح، حيث إنّ مقدار الضغط الجويّ المؤثّر على ارتفاع 20 ألف قدم يكون نصف مقدار الضغط عند سطح البحر.

جهاز قياس ضغط الغاز

تُقاس قيمة الضغط بشكلٍ مباشر باستخدام جهاز يُسمّى الباروميتر اختُرع من قِبل العالم تورشيلي في الفترة الواقعة بين عام 1608م وعام 1647م، ويعمل هذا الجهاز باستخدام عنصر الزئبق كوزنٍ قياسيّ، ويتكوّن من أنبوب طويل ويحتوي على تجويف مملوء بعنصر الزئبق من طرف فقط، والطرف الآخر فارغ من الزئبق ومملوء بالهواء فقط، ويتكوّن من مقطع عرضي مشابه للغلاف الجويّ الأرضيّ، مما يؤدّي إلى تحقيق توازن بين الزئبق والغلاف الجويّ، وعندما تتغيّر قيمة الضغط الجوي تتغيّر قيمة ارتفاع عنصر الزئبق داخل الأنبوب لتعادل التغيّر في قيمة الضغط، وبالتالي تُقاس قيمة الضغط الجوي، أمّا المعادلة الفيزيائيّة لقياس قيمة هذا الضغط هي: الضغط=الكتلة*التسارع.

بما أنّ قيمة تسارع الجاذبيّة الأرضية تساوي 9.80665 م/ث^2 تقريباً، والضغط يعبّر عن القوّة المؤثّرة في وحدة المساحة فإنّ الضغط يساوي (كتلة الجسم* الجاذبية الأرضية)/المساحة، ولحساب قيمة الضغط داخل جهاز الباروميتر والذي يحتوي على عنصر الزئبق، تُستخدم المعادلة الآتية:P=pgh، حيث تمثّل الرموز ما يأتي:

• P: الضغط.
• p: الكثافة .
• g: ثابت الجاذبيّة الأرضيّة.
• h: ارتفاع المائع.

عوامل يعتمد ضغط الغاز عليها

يعتمد ضغط الغاز على العوامل الآتية:

• حجم الوعاء: يعتمد ضغط الغاز على حجم الوعاء المحصور فيه، فعندما يقل حجم الوعاء يُصبح لجزيئات الغاز حيزاً أقل لتتحرّك به، وبالتالي ستقوم بضرب جدران الوعاء بقوّة أكبر مما يؤدّي إلى زيادة قيمة الضغط الناشئة.
• كمية الغاز: إنّ زيادة كميّة الغاز في الوعاء ستؤدّي إلى زيادة قيمة الضغط الناشئة، أمّا تقليل عدد الجزيئات داخل الوعاء فسيؤدّي إلى تقليل قيمة الضغط الناشئة.
• درجة الحرارة: إنّ تقليل قيمة درجة الحرارة ستؤدّي إلى تقليل قيمة ضغط الغاز الناشئة والعكس صحيح.

قوانين ضغط الغاز

سنذكر فيما يأتي القوانين الثلاثة التي تربط بين ضغط الغاز والعوامل الأخرى:

ضغط الغاز المثالي

يتميّز ضغط الغاز المثالي بأنّه يمتلك حجمٍ حقيقيٍ، وتصادم غير مرن بين الجزيئات بسبب قوى التجاذب بينها، ونتيجةً لذلك فإنّ حجم الغاز الحقيقي يكون أكبر من حجم الغاز المثاليّ، كما إنّ ضغط الغاز الحقيقي أقل من ضغط الغاز المثالي، ويجب الإشارة إلى أنّ جميع أنواع الغازات الحقيقية تتخذ سلوك الغازات المثالية عند قيم الضغط المنخفضة، ودرجات الحرارة المرتفعة نسبياً.

قانون بويل

اكتشف العالم روبرت بويل في عام 1662م، العلاقة بين الضغط، والحجم عند ثبات قيمة درجة الحرارة، وكمية الغاز، وصاغها بالمعادلة الفيزيائيّة الآتية: P∝1V→PV=x، حيث تمثّل الرموز ما يلي:

• P: الضغط.
• V: حجم الغاز.
• x: ثابت عددي يعتمد على كميّة الغاز، ودرجة الحرارة المعطاة.

وفي هذه العلاقة يتناسب الضغط تناسباً عكسياً مع الحجم، كما يمكن صياغة المعادلة بالشكل التالي وذلك عند تثبيت القيم العددية الثابتة، وتحديد شروط محددة: P1V1=x=P2V2.

قانون شارل

اكتشف العالم الفيزيائيّ الفرنسي تشارلز في عام 1787م العلاقة بين درجة حرارة الغاز وحجمه، عند تثبيت قيمة الضغط، وكميّة الغاز، وصاغها بالشكل الآتي:V∝T→V=yT، حيث تمثّل الرموز ما يأتي:

• V: حجم الغاز.
• T: درجة حرارته.
• y: تابت عددي يعتمد على قيمة ضغط الغاز وكميّته، وفي هذه العلاقة يكون الحجم متناسباً تناسباً طردياً مع درجة الحرارة، كما يمكن صياغة هذا القانون بطريقةٍ أخرى عند تثبيت الشروط والثوابت العدديّة بالشكل الآتي: V1T1=y=V2T2.