قانون الغاز المثالي .. تطبيقات عملية على قانون الغاز المثالي

قانون الغاز المثالي من القوانين المهمة جداً في الفيزياء، ومن خلال هذا القانون تم فتح باب للكثير من التطبيقات والإكتشافات التي تعتمد بشكل او بأخر على هذا القانون الفيزيائي، وفي هذا المقال سنتعرف على هذا القانون بشكل تفصيلي، كما وسنذكر الكثير من التطبيقات عليه.

تعريف قانون الغاز المثالي

قانون الغاز المثالي وجد لإن طبيعة الغازات معقدة، حيث إنها مليئة بالمليارات والمليارات من جزيئات الغاز النشطة التي يمكن أن تصطدم وربما تتفاعل مع بعضها البعض، ونظراً لأنه من الصعب وصف الغاز الحقيقي بالضبط، فقد ابتكر العلماء مفهوم الغاز المثالي كتقريب يساعدنا في نمذجة وتوقع سلوك الغازات الحقيقية، ويشير مصطلح الغاز المثالي إلى غاز افتراضي يتكون من جزيئات تتبع بعض القواعد وهي:[1]

• جزيئات الغاز المثالية لا تجتذب أو تتنافر: بحيث سيكون التفاعل الوحيد بين جزيئات الغاز المثالية هو التصادم المرن عند الاصطدام ببعضها البعض أو التصادم المرن بجدران الوعاء التي تتواجد فيه.
• جزيئات الغاز المثالية ليس لها أي حجم: حيث يأخذ الغاز الحقيقي حجماً نظراً لأن الجزيئات تتوسع في مساحة كبيرة من الفضاء، ولكن جزيئات الغاز المثالية يتم تقريبها كجسيمات نقطية ليس لها حجم في حد ذاتها.

في الواقع لا توجد غازات مثالية تماماً، ولكن هناك الكثير من الغازات القريبة بدرجة كافية من الغاز المثالي، بحيث يكون مفهوم الغاز المثالي تقريباً مفيداً للغاية للعديد من الغازات القريبة من شكل الغاز المثالي، وفي الواقع ايضاً بالنسبة لدرجات الحرارة القريبة من درجة حرارة الغرفة والضغوط القريبة من الضغط الجوي، فإن العديد من الغازات التي نهتم بها تكاد تكون مثالية للغاية، وإذا كان ضغط الغاز كبيراً جداً، أو إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جداً، يمكن أن يكون هناك انحرافات كبيرة عن قانون الغاز المثالي وقتها.

تطبيقات على قانون الغاز المثالي

هناك العديد من التطبيقات في حياتنا تعتمد على قانون الغاز المثالي، ومنها:[2]

 بخاخة الطلاء

حيث تعتمد بخاخات الطلاء او بخاخات الرذاذ عموماً على قانون بويل، حيث تحتوي علبة الطلاء على مادتين، إحداهما هي مادة الطلاء نفسها، والمادة الأخرى هي غاز مضغوط في شكل سائل داخل العلبة، وبالرغم من أن درجة غليان الغاز المسال أقل من درجة حرارة الغرفة، إلا أنه فعلياً لا يغلي بداخل العلبة، ولا يتحول لحالته الغازية، لأن العلبة تكون محكمة الأغلاق، وبمجرد ان تقوم بضغط البخاخ ويبدأ الغاز في الخروج من العلبة، تبدأ حالة الغليان ويتمدد الغاز المسال ويتحول الى حالته الغازية ويقوم بالضغط على مادة الدهان داخل العلبة، فتندفع مادة الدهان الى أعلى للخروج من فوهة البخاخ مع هروب الغاز من العلبة.

الغوص

إن أجسامنا مبنية ومخصصة للعيش في الضغط الطبيعي، وزيادة الضغط تسبب العديد من المشاكل الصحية، واليكم السبب وراء ضرورة الصعود ببطء، حيث كلما يتحرك الغواص لأسفل متجهاً الى قاع المياه فإن الضغط يزداد، وزيادة الضغط  تؤدي إلى نقص الحجم، فيبدأ دم الغواص بامتصاص غاز النيتروجين، ويحدث العكس عندما يبدأ الغواص في الصعود مرة اخرى، فتبدأ جزيئات غاز النيتروجين في التمدد والرجوع إلى حجمها الطبيعي، فإذا التزم الغواص بالصعود ببطء، فإن جزيئات غاز النيتروجين تتمدد وترجع إلى حالتها الطبيعية بدون مشاكل، ولكن اذا صعد بسرعة فإن دم الغواص يتحول الى فوم وتحدث نفس الفوضى التي تحدث في المياه الغازية مما يتسبب في انحناءات متتالية للغواص، ويشعر أثنائها بألم شديد، وفي أسوأ الحالات، يمكن لهذا الإنخفاض في الضغط المفاجئ للجسم أن ينهي حياة الغواص على الفور.

طفاية الحريق

تتكون مطفأة الحريق من أسطوانة طويلة مع ذراع تشغيل في الأعلى، ويوجد داخل الأسطوانة أنبوب من ثاني أكسيد الكربون محاط بكمية من الماء، مما يخلق ضغطاً حول أنبوب ثاني أكسيد الكربون، حيث يمتد أنبوب السيفون عمودياً على طول مطفأة الحريق، ومع فتحة واحدة في الماء بالقرب من القاع، يفتح الطرف الاخر في غرفة تحتوي على الية زنبركية متصلة بصمام تحرير في أنبوب ثاني أكسيد الكربون، وعندما يتم ضغط ذراع التشغيل، فإنه ينشط الية الزنبرك، التي تخترق صمام التحرير في الجزء العلوي من أنبوب ثاني أكسيد الكربون، وعندما يفتح الصمام، ينسكب ثاني أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى الضغط على الماء، وهذا المزيج عالي الضغط من الماء وثاني أكسيد الكربون يخرج من أنبوب طفاية الحريق.

قانون الغاز المثالي

إن قانون الغاز المثالي يعتمد على الضغط والحجم ودرجة الحرارة والكمية، وهي الخصائص الفيزيائية المستقلة الأربعة الوحيدة للغاز، وفي الواقع لأننا لسنا بحاجة إلى تحديد هوية الغاز لتطبيق قوانين الغاز، فإن الثابت للغازات في القانون هو نفسه بالنسبة لجميع الغازات، حيث نحدد هذا الثابت بالرمز R، لذلك تتم كتابة المعادلة لقانون الغاز الطبيعي بالشكل التالي:[3]

PV = nRT

يتم استخدام قانون الغاز المثالي مثل أي قانون غاز اخر، مع الانتباه إلى الوحدات والتأكد من التعبير عن درجة الحرارة بوحدة الكلفن، ومع ذلك فإن قانون الغاز المثالي لا يتطلب تغيير في ظروف عينة الغاز، كما ويشير قانون الغاز المثالي إلى أنه إذا كنت تعرف أي ثلاث خصائص فيزيائية للغاز، فيمكنك حساب الخاصية الرابعة.

الفرق بين الغاز المثالي والغاز الحقيقي

في حالات المادة الثلاث التي يتم التعرف عليها من خلال خصائصها هي المواد الصلبة والسوائل والغازات، والمواد الصلبة لها كتلة وشكل محددان بسبب الجذب الجزيئي القوي، وفي السوائل تتحرك الجزيئات فتؤدي إلى أخذ شكل الوعاء التي هي فيه، اما في الغازات تكون الجزيئات حرة في التحرك في أي مكان في الوعاء التي هي فيه، حيث يوجد نوعان من الغازات الغاز الحقيقي والغاز المثالي، ويمكن تلخيص الفرق بين الغازين كالأتي:[4]

• الغاز المثالي (بالإنجليزية:Ideal gas): يعرف الغاز المثالي بأنه غاز يخضع لقوانين الغاز في جميع ظروف الضغط ودرجة الحرارة، والغازات المثالية لها سرعة وكتلة، وليس لديهم حجم، وعند المقارنة بالحجم الإجمالي للغاز، فإن الحجم الذي يشغله الغاز لا يكاد يذكر، ولا يتكثف ولا يحتوي على نقطة ثلاثية.
• الغاز الحقيقي (بالإنجليزية:Real gas): يعرف الغاز الحقيقي بأنه غاز لا يخضع لقوانين الغاز في جميع ظروف الضغط ودرجة الحرارة القياسية، وعندما يصبح الغاز ضخماً ويتوسع، فإنه ينحرف عن سلوكه المثالي، والغازات الحقيقية لها سرعة وحجم وكتلة.

وهذا الجدول سيوضح الفرق بالتفصيل بين الغاز الحقيقي والغاز المثالي:

وفي الختام نكون قد تعرفنا على قانون الغاز المثالي بالتفصيل الدقيق، كما وتعرفنا على أهم التطبيقات العملية في حياتنا على هذا القانون، كما وذكرنا الصيغة الرياضية للقانون، وكما وضحنا الفرق بين الغاز الحقيقي والغاز المثالي.