العلاقة بين الحرارة والضغط الجوي

ما العلاقة بين الحرارة والضغط الجوي؟

يتغيّر الضغط الجوي أو ضغط الهواء أو الضغط البارومتري باستمرار نتيجةً لحدوث تغيّرات في درجة الحرارة، الأمر الذي يؤثّر في كثافة الهواء ويرتبط به، وفيما يأتي توضيح العلاقة بين الحرارة والضغط الجوي في حالة البرودة أو السخونة:^[١]

العلاقة بين الضغط الجوي والحرارة المرتفعة

يؤدّي الهواء الساخن لرفع ضغط الهواء، حيث إنّه عندما تتصادم جزيئات الهواء فإنّها تؤثّر بقوة على بعضها البعض، وعندما تُسخّن جزيئات الهواء فإنّها تتحرّك بسرعةٍ أكبرٍ وتؤدي هذه الزيادة في السرعة إلى حدوث المزيد من التصادمات، وينتج عن ذلك قوة مؤثرة أكبر على الجزيئات وبذلك يرتفع الضغط الجوي.^[١]

حيث تؤثر الحرارة على قيمة الضغط الجوي بالنسبة للارتفاع بسبب تفاوت قيمة كثافة الهواء، فعلى سبيل المثال في حالة وجود عمودي هواء يتعرضان لدرجات حرارة مختلفة فإنّ العمود الأسخن سيختبر نفس قيمة الضغط الجوي على ارتفاعٍ أكبرٍ والتي تُقاسُ على ارتفاع أقل في حالة التعرض لعمود هواء أبرد.^[١]

العلاقة بين الضغط الجوي والحرارة المنخفضة

تؤدّي الحرارة المنخفضة إلى تقليل قيمة الضغط الجوي، حيث إنّ انخفاض درجة حرارة جزيئات الغازات تؤدي إلى إبطاء حركتها، وينتج عن السرعة المنخفضة تصادمات أقل بين الجزيئات الأمر الذي يقلل من قيمة الضغط الجوي، وتلعب كثافة الهواء دورًا في العلاقة التي تربط بين الحرارة والضغط.^[١]

وذلك لأنّ الهواء الأسخن يتميّز بأنّه أقل كثافةً مقارنةً بالهواء الأبرد؛ الأمر الذي يسمح للجزيئات في الهواء الساخن بأن تمتلك مساحة أكبر للتصادم مع قوة أكبر، أمّا في الهواء الساخن تكون الجزيئات أقرب لبعضها البعض وبالتالي فإنّه ينتج تصادمات أقل وضغط جوي أقلّ أيضًا.^[١]

إن العلاقة بين الضغط والحرارة طردية؛ أي يزداد الضغط الجوي بازدياد درجة الحرارة والعكس صحيح.

القوانين التي تبين العلاقة بين الضغط الجوي والحرارة

توجد عدّة قوانين فيزيائية مشتقة رياضياً لبيان العلاقة بين الضغط الجوي والحرارة، منها ما يأتي:

قانون جاي

ينص قانون جاي لوساك (بالإنجليزية: Gay-Lussac's Law Formula) على أنّ درجة حرارة الغاز تتناسب طردياً مع ضغطه عند ثبوت حجم الغاز، وكلّما ارتفعت قيمة الضغط الجوي للغاز، كلّما ارتفعت درجة حرارته، والعكس صحيح، ويُمثّل القانون بالعلاقة الرياضية الآتية:^[٢]

ضغط الغاز في الحالة الأولى / درجة حرارة الغاز في الحالة الأولى = ضغط الغاز في الحالة الثانية / درجة حرارة الغاز في الحالة الثانية

وبالرموز:

P2/ T2 = P1/ T1

حيث إنّ:

• P1: الضغط الجوي في الحالة الأولى، ويُقاس بوحدة الملميتر الزئبقي.
• P2: الضغط الجوي في الحالة الثانية، ويُقاس بوحدة الملميتر الزئبقي.
• T1: درجة الحرارة الابتدائية، وتُقاس بوحدة الكلفن.
• T2: درجة الحرارة النهائية، وتُقاس بوحدة الكلفن.

القانون الموحد للغازات

قام العلماء بالتوصل إلى القانون الموحد للغاز (بالإنجليزية: Combined and ideal gas laws) من خلال الجمع بين قانون جاي لوساك الموضح في الفقرة السابقة إضافةً إلى قانون بويل، وقانون تشارلز، وهو يفسر العلاقة بين ضغط الغاز وحجمه ودرجة الحرارة لكمية ثابتة من الغاز.^[٣]

القانون الموحد للغازات ينص على أنّ النسبة بين حاصل ضرب ضغط الغاز في حجمه مقسوماً على درجة حرارته تساوي ثابتًا ويُمثّل القانون بالعلاقة الرياضية الآتية:^[٤]

(ضغط الغاز × حجم الغاز) / درجة حرارته = قيمة ثابتة للغاز

وبالرموز:

P × V) /T = k)

حيث إنّ:

• P: الضغط الجوي، ويُقاس بوحدة الملميتر الزئبقي.
• V: حجم الغاز، ويُقاس بوحدة اللتر.
• k: ثابت بحسب نوع الغاز.

أو يُمثّل قانون الغاز الموحد للغازات من خلال العلاقة الآتية:^[٤]

(حجم الغاز الأولي × ضغط الغاز الأولي) / درجة حرارته في الحالة الأولى = (حجم الغاز في حالته الثانية × ضغط الغاز في الحالة الثانية) / درجة حرارته في الحالة الثانية

وبالرموز:

P1 × V1) /T1 = (P2 × V2) /T2)

حيث إنّ:

• P1: الضغط الجوي في الحالة الأولى، ويُقاس بوحدة المليمتر الزئبقي.
• P2: الضغط الجوي في الحالة الثانية، ويُقاس بوحدة المليمتر الزئبقي.
• V1: حجم الغاز في حالته الابتدائية ويُقاس بوحدة اللتر.
• V2: حجم الغاز في حالته النهائية ويُقاس بوحدة اللتر.
• T1: درجة الحرارة الابتدائية وتُقاس بوحدة الكلفن.
• T2: درجة الحرارة النهائية وتُقاس بوحدة الكلفن.

قانون بويل

ينص قانون بويل (بالإنجليزية: Boyle’s Law) على أنّ مقدار الضغط لكمية معينة من الغاز يتناسب عكسيًا مع حجمه عند درجة حرارة ثابتة، ويُمثل القانون بالعلاقة الرياضية الآتية:^[٥]

حجم الغاز × الضغط = كمية ثابتة للغاز

وبالرموز:

P × V = k

حيث إنّ:

• P: الضغط الجوي ويُقاس بوحدة المليمتر الزئبقي.
• V: حجم الغاز ويُقاس بوحدة اللتر.
• k: ثابت بحسب نوع الغاز.

وبناءً عليه فإنّ:^[٤]

حجم الغاز في الحالة الأولى × الضغط في الحالة الأولى= حجم الغاز في الحالة الثانية × الضغط في الحالة الثانية

وبالرموز:

P1 × V1= P2 × V2

حيث إنّ:^[٤]

• P1: الضغط الجوي في الحالة الأولى ويُقاس بوحدة الملمتر الزئبقي.
• P2: الضغط الجوي في الحالة الثانية تقاس بوحدة الملميتر الزئبقي.
• V1: حجم الغاز في حالته الابتدائية ويُقاس بوحدة اللتر.
• V2: حجم الغاز في حالته النهائية ويُقاس بوحدة اللتر.

قانون تشارلز

ينص قانون تشارلز (بالإنجليزية: Charles's law) على أنّ الحجم الذي يشغله كمية ثابتة من الغاز، يتناسب طرديًا مع درجة حرارته المطلقة بشرط ثبات ضغطه، ويُمثل القانون بالعلاقة الرياضية الآتية:^[٦]

حجم الغاز في الحالة الثانية وحجم الغاز في الحالة الأولى = درجة حرارة الغاز في الحالة الثانية ودرجة حرارته في الحالة الأولى

وبالرموز:

V2 / V1=T2 / T1

أو

حجم الغاز في الحالة الأولى × درجة حرارته في الحالة الثانية = حجم الغاز في الحالة الثانية × درجة حرارته في الحالة الأولى

وبالرموز:

V1 × T2 = V2 × T1

حيث أنّ:^[٧]

• T1: درجة الحرارة الابتدائية تقاس بوحدة الكلفن.
• T2: درجة الحرارة النهائية تقاس بوحدة الكلفن.
• V1: حجم الغاز في حالته الابتدائية تقاس بوحدة اللتر.
• V2: حجم الغاز في حالته النهائية تقاس بوحدة باللتر.

قانون الغاز المثالي

ينص قانون الغاز المثالي على أنّ حجم الغاز يتناسب طردياً مع كل من عدد المولات ودرجة الحرارة، بينما يتناسب عكسياً مع الضغط، ويُمثل القانون بالعلاقة الرياضية الآتية:^[٨]

عدد مولات الغاز × قيمة ثابت الغاز × درجة الحرارة = حجم الغاز × الضغط الجوي

وبالرموز:

P × V = n × R × T

حيث إنّ:^[٨]

• P: الضغط الجوي تقاس بوحدة المليمتر الزئبقي.
• V: حجم الغاز ويقاس بوحدة اللتر.
• n: عدد المولات.
• R: ثابت بحسب نوع الغاز.
• T: درجة الحرارة وتقاس بوحدة الكلفن.

هل يوجد قيمة ثابتة للضغط الجوي؟

لا يُمكن الإشارة إلى قيمة الضغط الجوي أو ضغط الهواء بأنّها قيمة رقميّة منتظمة أو محددة؛ وذلك لأنّ قيمة الضغط الجوي ليست منتظمة وتختلف اعتمادًا على المكان من سطح الأرض؛ حيث إنّها تتراوح ما بين 980 ميلليبار إلى 1050 ميلليبار، وتختلف هذه القيمة أيضًا اعتمادًا على الارتفاع من سطح الأرض.^[٩]

حيث إنّه كلّما ارتفعنا عن سطح الأرض ستقل قيمة الضغط الجوي أو ضغط الهواء؛ وذلك بسبب انخفاض جزيئات الهواء كلّما زاد الارتفاع الأمر الذي يُقلل من كثافة الهواء وبالتالي يقود لانخفاض قيمة الضغط، ولذلك فإن أعلى قيمة للضغط الجوي على سطح الأرض تكون عند مستوى سطح البحر؛ وذلك لأنّ كثافة الهواء تكون أكبر ما يمكن.^[٩]

إن العلاقة بين الضغط والارتفاع علاقة عكسية، فكلما ارتفعنا عن سطح الأرض قلت قيمة الضغط الجوي والعكس صحيح.

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت ث ج} "How Does Temperature Affect Barometric Pressure?", sciencing, Retrieved 5/1/2021. Edited.
2. ↑ "Gay-Lussac's Law Formula", softschools, Retrieved 12/12/2021. Edited.
3. ↑ Nissa Garcia (28/1/2016), "Combined Gas Law: Definition, Formula & Example", study, Retrieved 12/12/2021. Edited.
4. ^ ^{أ ب ت ث} Madhu (22/3/2018), " Difference Between Combined Gas Law and Ideal Gas Law Difference Between Combined Gas Law and Ideal Gas Law", differencebetween, Retrieved 12/12/2021. Edited.
5. ↑ Adam Augustyn (20/11/2019), "Boyles-law", britannica, Retrieved 12/12/2021. Edited.
6. ↑ "Charles's law", Byjus, Retrieved 12/12/2021. Edited.
7. ↑ "/charles-law", byjus, Retrieved 12/12/2021. Edited.
8. ^ ^{أ ب} "ideal gas law", Byjus, Retrieved 12/12/2021. Edited.
9. ^ ^{أ ب} "The Basics of Air Pressure", thoughtco, Retrieved 5/1/2021. Edited.