Table of Contents
ماهو قانون بويل ؟ ومن اكتشفه وفي أي مجال يستخدم ؟ تعرف عليه في هذا المقال الذي يقدم معلومات دقيقة عنه مع أمثلة رياضية وتطبيقية على هذا القانون من الحياة العملية .
اكتشفه العالم الإيرلندي بويل، الذي ولد عام ١٦٢٧ وتوفي في انكلترا عام ١٦٩١، و هو من الشخصيات البارزة في الثقافة الفكرية في القرن السابع عشر، وكان علمه البارز في مجال الكيمياء بالإضافة إلى الفيزياء و الطب و علوم الأرض.
في عام ١٦٥٩ قام بويل بصنع مضخة هواء شهيرة مع روبرت هوك، و تم استخدامها في دراسة علم الهواء المضغوط.
اكتشف بويل عدة خصائص فيزيائية للهواء مثل دوره في الاحتراق و التنفس و نقل الصوت، و قد تم نشر قانون بويل عام ١٦٦٢ و هذا القانون يعبر عن العلاقة العكسية بين ضغط الغاز وحجمه عند درجة حرارة ثابتة و في ظروف مثالية. و قد اعتمد بويل في هذا الإنجاز على التجربة و الملاحظة و لم يعتمد على نظريات سابقة معممة.
قانون بويل
يسمى قانون بويل أيضاً قانون ماريوت، يبين هذا القانون ضغط و تمدد الغاز عند درجة حرارة ثابتة.
يمكن اشتقاق قانون بويل من النظرية الحركية للغازات و هي نظرية تستند إلى وصف جزيئي للغاز الذي يمكن من خلاله استنتاج العديد من الخصائص الفيزيائية للغاز.
تقوم النظرية الحركية للغازات على الافتراضات التالية :
١- يتكون الغاز من عدد كبير من الجزيئات المتطابقة، تتحرك هذه الجزيئات في اتجاهات عشوائية، تفصلها مسافات كبيرة بالمقارنة مع حجمها.
٢- تتعرض هذه الجزيئات لاصطدامات مرنة تماماً دون أن تفقد طاقتها، و هذه الاصطدامات تكون بين بعضها البعض و مع جدران الحاوية و هي لا تتفاعل مع بعضها البعض.
٣- تتبادل هذه الجزيئات الطاقة الحركية فيما بينها.
تنطبق الشروط السابقة على الغاز المثالي ضمن درجات حرارة ثابتة.
يمكن أن يرتبط ضغط الغاز بدرجة الحرارة و الكثافة.
يمكن استنتاج العديد من الخصائص الإجمالية للغاز مثل لزوجة الغاز و التوصيل الحراري و الكهربائي و السعة الحرارية و الانتشار و التنقل.
يعبر عن معادلة بويل ب العبارة التالية :
K = P. V
- حيث يمثل K ثابت بويل.
- يمثل P ضغط الغاز و يقاس بالباسكال.
- يمثل V حجم الغاز و يقاس باللتر.
يعبر هذا القانون عن أن الضغط الذي يمارسه غاز بفعل كتلة معينة و عند درجة حرارة ثابتة يتناسب عكساً مع الحجم الذي يشغله.
و حسب قانون بويل فإن أي تغيير في الحجم الذي يشغله غاز سوف يؤدي إلى تغير في ضغطه و ذلك ضمن درجة حرارة ثابتة.
و يكون ناتج الضغط و الحجم الأولي للغاز يساوي ناتج الضغط والحجم النهائي للغاز و ذلك عند درجة حرارة ثابتة و يعبر عن ذلك بالمعادلة التالية :
P1. V1 =P2. V2
- حيث يمثل P1 الضغط الأولي للغاز.
- يمثل V1 الحجم الأولي للغاز.
- يمثل P2 الضغط النهائي للغاز.
- يمثل V2 الحجم النهائي للغاز.
ذات صلة :
أمثلة رياضية على قانون بويل
كمية من الغاز تحتل حجم ا لتر، تضغط على جدران الحاوية بمقدار ٤٠٠ كيلو باسكال، عندما يتم نقل الغاز إلى حاوية بحجم ٣ لترات،
كم يصبح ضغط الغاز؟
الحل :
بالاعتماد على قانون بويل :
- P1. V1 =P2. V2
- P2 =P1. V1/ V2
- P2 = 400 * 1 / 3 = 133.33 كيلو باسكال.
مثال آخر :
غاز ضغطه ٥ كيلو باسكال موجود في حاوية، يتم إفراغ الغاز في حاوية أخرى سعتها ٩ لترات، فيتغير الضغط إلى ٦ كيلو باسكال،
احسب حجم الحاوية الأولى.
- V1 = P2. V2 / P1
- V2 = 9 * 6 / 5 = 54 / 5 = 10.8 لتر.
قد يهمك :
أمثلة تطبيقية على قانون بويل
١- البالون
عندما يتم الضغط على بالون ممتلئ بالهواء ينخفض حجم البالون و بالتالي حجم الهواء ضمنه، و هذا يؤدي إلى زيادة ضغط الهواء ضمن البالون، و عند زيادة الضغط يمكن أن ينفجر البالون، و بالتالي يعتمد عمل البالون على قانون بويل.
٢- التنفس
عند أخذ الشهيق فإن الرئتان تمتلئان بالهواء وبالتالي تتوسع ويزداد حجمهما و ينخفض ضغط الهواء نتبجةً لذلك، و عند الزفير تتقلص الرئتان فينخفض حجمهما و يزداد الضغط و بالتالي يتم إخراج الهواء منهما، تتكرر هذه العملية بشكل دوري و لحظي.
٣- نفخ إطارات سيارة
عندما تستخدم مضخة الهواء لنفخ إطارات سيارة فإننا نزيد من ضغط الهواء داخل الإطارات الذي يمارس على جدران الإطار أيضاً، و بالتالي يصبح الإطار جاهز للاستخدام، أما عندما يكون الإطار مسطحاً أو ضغط الهواء فيه قليل فلا يمكن استخدامه، عندما يتضرر الإطار بفعل جسم صلب و يثقب، يخرج منه الهواء لأن ضغط الهواء الخارجي أقل من ضغط الهواء داخل الإطار.
٤- زجاجة المياه الغازية
تكون زجاجة المياه الغازية ممتلئة بثاني أكسيد الكربون و الماء عندما تكون الزجاجة مغلقة بإحكام و لا تستطيع جزيئات الغاز داخل الزجاجة التحرك، عندما يتم فتح غطاء الزجاجة يتم فسح المجال ل جزيئات الغاز بالخروج من الزجاجة و قد يخرج معها القليل من المياه الغازية نتيجة زيادة الضغط في الزجاجة.
٥- الحقنة الطبية
و هي جهاز طبي يستخدم لإدخال السوائل أو سحبها من الجسم، و هي عبارة عن أسطوانة لاحتواء السائل مع مكبس لتغيير الضغط. عندما يتم دفع المكبس يزداد الضغط داخل الأسطوانة و يتم خروج السائل منها إلى الجسم، و عندما يتم سحب المكبس يزداد حجم الأسطوانة و يتم سحب الدم أو السائل من الجسم إلى الحقنة الطبية و ذلك لأن السائل ينتقل من الضغط المرتفع إلى الضغط المنخفض. و بالتالي فإن عمل الحقنة يعتمد على قانون بويل.
٦- بدلة رائد الفضاء
تصمم بدلة رائد الفضاء خصيصاً لتناسب الفضاء الذي لا يتكون من الهواء أو الغلاف الجوي حيث أن الضغط يساوي الصفر. لذلك عندما تتمزق بدلة رائد الفضاء فإنه سوف يصاب ب الجروح و تعرضه لخروج السوائل من جسمه.
٧- الغوص أثناء السباحة
عندما يحاول الغواص الهبوط إلى عمق المسطح المائي فإن الضغط سوف يزداد كلما اقترب الغواص من عمق الماء، و عندما يحاول التحرك إلى الأعلى يبدأ الضغط ب الانخفاض، لذلك يجب على الغواص الخروج إلى الأعلى ببطء لتجنب الضرر الذي قد يتعرض له نتيجة فروقات الضغط بين العمق و السطح.
٨- قطرة الأذن
تعتمد قطرة الأذن على قانون بويل في عملها، فعندما تكون الحوجلة المطاطية مملوءة بالسائل و يتم الضغط عليها فإن حجم الحوجلة ينخفض و يزداد ضغط السائل و يتم إفراغه عن طريق الأنبوب الصغير الموصول مع الحوجلة، و في الحالة المعاكسة عندما نضغط على الحوجلة المطاطية تكون خالية من السائل، نضع الأنبوب داخل العلبة الزجاجية ثم نزيل الضغط عنه فينتقل السائل إلى الحوجلة المطاطية التي ازداد حجمها بعد الافلات.
٩- مثبت الشعر
تكون جزيئات مثبت الشعر مضغوطة داخل العلبة المعدنية و غير قادرة على الحركة، عندما يتم الضغط على البخاخ البلاستيكي يزداد الضغط داخل العلبة المعدنية و ينخفض الحجم، تنطلق جزيئات الغاز خارج العلبة عن طريق البخاخ البلاستيك. أي أن علبة مثبت الشعر تعتمد في عملها على قانون بويل.
المراجع :
