يعد قانون الغاز المثالي أحد القوانين المهمة جدًا في الفيزياء ومن خلال هذا القانون تم فتح الأبواب للعديد من التطبيقات والاكتشافات التي تعتمد بطريقة ما على هذا القانون الفيزيائي وفي هذه المقالة سنتعرف على هذا القانون بالتفصيل وسنتعرف أيضًا على أذكر العديد من التطبيقات عليه.
تعريف قانون الغاز المثالي
تم اكتشاف قانون الغاز المثالي لأن طبيعة الغازات معقدة ، فهي مليئة بالمليارات والمليارات من جزيئات الغاز النشطة التي يمكن أن تتصادم وربما تتفاعل مع بعضها البعض ، ولأنه من الصعب وصف الغاز الحقيقي بدقة ، فقد وجد العلماء طور مفهوم الغاز المثالي كتقريب ، مما يساعدنا على نمذجة والتنبؤ بسلوك الغازات. يشير مصطلح الغاز المثالي إلى غاز افتراضي يتكون من جسيمات تتبع قواعد معينة ، وهي:[1]
- جزيئات الغاز المثالية لا تجتذب ولا تتنافر: التفاعلات الوحيدة بين جزيئات الغاز المثالية ستكون تصادمات مرنة عندما تتصادم مع بعضها البعض أو تصادمات مرنة مع جدران الحاوية التي تحتوي عليها.
- جزيئات الغاز المثالية ليس لها حجم: يكتسب الغاز الحقيقي حجمًا لأن الجسيمات تتوسع على مساحة كبيرة من الفضاء ، لكن جزيئات الغاز المثالية يتم تقريبها كجزيئات نقطية ، والتي ليس لها حجم بحد ذاتها.
في الواقع ، لا توجد غازات مثالية تمامًا ، ولكن هناك العديد من الغازات القريبة من الغاز المثالي ، لذا فإن مفهوم الغاز شبه المثالي مفيد للغاية للعديد من الغازات التي تقترب من المثالية ، وحتى بالنسبة لدرجة حرارة الغرفة وضغوطها. التي تهمنا ، مثالية تقريبًا ، وإذا كان ضغط الغاز كبيرًا جدًا ، أو إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا ، فقد يكون هناك انحرافات كبيرة عن الغاز المثالي. الحق
تطبيق قانون الغاز المثالي
هناك العديد من التطبيقات في حياتنا التي تعتمد على قانون الغاز المثالي ، منها:[2]
بخاخ طلاء
حيث تعتمد مرشات الطلاء أو البخاخات عمومًا على قانون بويل ، حيث تحتوي علبة الطلاء على مادتين ، إحداهما هي الطلاء نفسه ، والمادة الأخرى عبارة عن غاز مضغوط في صورة سائلة داخل العلبة ، وعلى الرغم من درجة غليان العبوة. يكون الغاز المسال أقل في درجة حرارة الغرفة ، ولا يغلي في العلبة أو يتحول إلى غاز لأن العلبة مغلقة بإحكام وبمجرد الضغط على البخاخ ، يبدأ الغاز في الخروج من العلبة. ربما تبدأ حالة الغليان ويتمدد الغاز المسال ويتحول إلى حالة غازية ويضغط على مادة الطلاء داخل العلبة ، مما يؤدي إلى انفجار المادة. يتم توجيه الطلاء لأعلى للخروج من فوهة الرش حيث يخرج الغاز من العلبة.
الغوص
أجسامنا مبنية ومصممة لتعيش تحت ضغط طبيعي ، والضغط المتزايد يسبب العديد من المشاكل الصحية ، وهذا هو سبب ضرورة الصعود ببطء ، لأنه في كل مرة يتحرك فيها الغواص إلى قاع الماء ، يزداد الضغط. وتؤدي زيادة الضغط إلى انخفاض حجمه ، فيبدأ دم الغواص بامتصاص النيتروجين. وعندما يبدأ الغواص في الصعود مرة أخرى ، يحدث العكس ، فتبدأ جزيئات النيتروجين في التمدد والعودة إلى حجمها الطبيعي.نفس الفوضى التي تحدث في المياه الغازية تجعل الغواص ينحني إلى الوراء ، مما يسبب ألمًا شديدًا ، وفي أسوأ الأحوال في هذه الحالة ، يمكن لهذا الانخفاض المفاجئ في ضغط الجسم أن ينهي حياة الغواص على الفور.
طفاية حريق
تتكون مطفأة الحريق من أسطوانة طويلة مع ذراع تحكم في الأعلى ، وداخل الأسطوانة يوجد أنبوب ثاني أكسيد الكربون محاط ببعض الماء ، مما يخلق ضغطًا حول أنبوب ثاني أكسيد الكربون حيث يعمل أنبوب السيفون عموديًا بطول طول الطفاية ، وبوجود ثقب واحد في الماء بالقرب من القاع ، يفتح الطرف الآخر في غرفة تحتوي على آلية محملة بنابض متصلة بصمام العادم في أنبوب الكربون. عند الضغط على ذراع التحكم ، يتم تنشيط آلية محملة بنابض يثقب صمام العادم في الجزء العلوي من أنبوب الكربون. عندما يفتح الصمام ، فإنه ينسكب. يعمل ثاني أكسيد الكربون على ضغط الماء ، ويخرج هذا الخليط من الماء عالي الضغط وثاني أكسيد الكربون من أنبوب الطفاية.
قانون الغاز المثالي
يعتمد قانون الغاز المثالي على أن الضغط والحجم ودرجة الحرارة والكمية هي الخصائص الفيزيائية المستقلة الوحيدة للغاز. في الواقع ، نظرًا لأننا لا نحتاج إلى تحديد هوية الغاز من أجل تطبيق قوانين الغاز ، فإن ثابت الغاز في القانون هو نفسه بالنسبة لجميع الغازات. نشير إلى هذا الثابت بالرمز R ، لذا فإن معادلة قانون الغاز الطبيعي مكتوبة بالشكل التالي:[3]
PV = nRT
يتم استخدام قانون الغاز المثالي مثل أي قانون غاز آخر ، مع الانتباه إلى الوحدات والتأكد من التعبير عن درجة الحرارة بالكلفن. ومع ذلك ، فإن قانون الغاز المثالي لا يتطلب تغيير شروط عينة الغاز. ينص قانون الغاز المثالي أيضًا على أنه إذا كنت تعرف أي ثلاث خصائص فيزيائية للغاز ، فيمكنك حساب الخاصية الرابعة.
الفرق بين الغاز المثالي والغاز الحقيقي
في حالات المادة الثلاث ، المعترف بها من خلال خصائصها ، تكون المواد الصلبة ، والسوائل ، والغازات ، والمواد الصلبة لها كتلة وشكل محددان بسبب الجذب الجزيئي القوي. أي مكان في الوعاء الذي يحتوي عليه ، حيث يوجد اثنان يمكن تلخيص أنواع الغازات والغازات الحقيقية والغازات المثالية والفرق بين الغازين على النحو التالي:[4]
- الغاز المثالي: يُعرَّف الغاز المثالي بأنه غاز يطيع قوانين الغاز تحت جميع ظروف الضغط ودرجة الحرارة ، والغازات المثالية لها سرعة وكتلة ، وليس لها حجم ، ومقارنة بالحجم الإجمالي للغاز ، الحجم ، الذي يحتله الغاز ضئيل ، ولا يتكثف ولا يحتوي على نقطة ثلاثية.
- الغاز الحقيقي (بالإنجليزية: Real gas): يُعرَّف الغاز الحقيقي بأنه غاز لا يخضع لقوانين الغاز تحت جميع ظروف الضغط ودرجة الحرارة المعياريين ، وعندما يصبح الغاز ضخمًا ويتمدد ينحرف عن سلوكه المثالي ، و الغازات الحقيقية لها سرعة وحجم وكتلة.
يوضح هذا الجدول بالتفصيل الفرق بين الغاز الحقيقي والغاز المثالي:
| غاز حقيقي | غاز مثالي |
| هناك حجم | ليس لها حجم |
| تصادمات غير مرنة بين الجسيمات | تصادم مرن للجسيمات |
| هناك قوة جذب بين الجزيئات | لا توجد قوة جذب بين الجزيئات |
| إنه موجود بالفعل في البيئة | لا يوجد في الواقع في البيئة وهو غاز افتراضي |
| ضغطه أقل من ضغط الغاز المثالي | يعاني من ارتفاع ضغط الدم |
| يتفاعل مع الغازات الأخرى | مستقلة ولا تتفاعل |
| القانون p + ((n2a) / V2) (V – nb) = nRT | القانون PV = nRT |
في الختام ، تعرفنا على قانون الغاز المثالي بتفصيل دقيق وأيضًا أهم التطبيقات العملية لهذا القانون في حياتنا عندما ذكرنا الصيغة الرياضية للقانون وشرحنا أيضًا الفرق بين الغاز الحقيقي والغاز المثالي.