قانون جاي لوساك للغازات الصياغة وأمثلة حسابية

صيغة قانون جاي لوساك للغازات

ما هو قانون جاي لوساك؟ وما هي صيغته الرياضية؟ هو قانون يُعبّر عن العلاقة بين ضغط الغاز ودرجة حرارته المطلقة، إذ ينص القانون على أن ضغط كتلة معينة من الغاز يؤثر بشكل مباشر على درجة الحرارة المطلقة للغاز عندما يظل الحجم ثابتًا، فإنه عند زيادة درجة حرارة غاز موجود في علبة صلبة فإن ضغط الغاز يزداد، ويعود السبب في ذلك إلى أنه عند زيادة درجة الحرارة الطاقة الحركية للجزيئات وبالتالي يزداد ارتطام هذه الجزيئات بأسطح العلبة الصلبة بقوة أكبر مما يؤدي إلى زيادة ضغط الغاز، وتم تسمية القانون بهذا الاسم تيمناً بمكتشف هذه العلاقة العالم الفرنسي جاي لوساك (Gay-Lussac's).^[١]

تُشير الصيغة الرياضية لقانون جاي لوساك على أن نسبة الضغط الأولي ودرجة الحرارة الأولية تساوي نسبة الضغط ودرجة الحرارة النهائيين عند ثبوت الحجم كما موجود المعادلة الآتية؛ P1/T1 = P2/T2، إذ إن:^[١]

• P1: القيمة الأولية للضغط قبل زيادة درجة الحرارة وتقاس بوحدة الضغط الجوي أو البار.
• T1: القيمة الأولية لدرجة الحرارة قبل الزيادة وتقاس بوحدة الكلفن.
• P2: القيمة النهائية للضغط بعد زيادة درجة الحرارة وتقاس بوحدة الضغط الجوي أو البار.
• T2: القيمة النهائية لدرجة الحرارة بعد الزيادة وتقاس بوحدة الكلفن.

أمثلة حسابية على قانون جاي لوساك للغازات

فيما يأتي أبرز الأمثلة الحسابية على قانون جاي لوساك:

• المثال الأول: سفينة مجهزة بأسطوانات ثاني أكسيد الكربون (CO2) للسلامة من الحرائق. درجة حرارة الأسطوانة في منطقة الانطلاق تساوي 285.15 كلفن وضغطها يساوي 50.1 بار ماذا سيكون ضغط الغاز عند وصول السفينة في المنطقة التي تساوي درجة حرارتها 278.15؟^[٢]
  • الحل:
  • بحسب قانون جاي لوساك فإن المجهول في هذه المسألة هو الضغط النهائي للأسطونة في منطقة الوصول P2 بحيث؛ P2 = (P1*T2)/T1
  • P2 =( 50.1*278.15) / 285.15
  • بار P2 = 48.9.
• المثال الثاني: تحتوي أسطوانة على غاز ذو ضغط جوي يساوي 6 عند 27 درجة حرارة سيلسيوس، ماذا سيكون ضغط الغاز إذا تم تسخينه إلى 77 درجة مئوية؟^[٣]
  • الحل:
  • بحسب قانون جاي لوساك فإن المجهول في هذه المسألة هو الضغط النهائي للاسطونة P2 بحيث ؛ P2 = (P1*T2)/T1
  • لكن يجب في البداية تحويل درجة الحرارة من سيلسيوس إلى وحدة الكلفن كالتالي:
    • T1 = 27 C = 27 + 273 K = 300 K
    • T2 = 77 C = 77 + 273 K = 350 K
  • ومن ثم التعويض في قانون جاي لوساك لإيجاد P2؛ P2= 6*350 /300
  • فإن P2 تساوي 7 ضغوط جوية.

تطبيقات عملية على قانون جاي لوساك للغازات

يوجد العديد من الأمثلة في حياتنا اليومية تمثّل قانون جاي لوساك مثل؛ قدر الضغط وإطار عجلة السيارة والعديد من الأمثلة الأخرى، إذ يفسر قانون جاي لوساك بعض الحوادث في حياتنا اليومية مثل؛ انفجار قدر الضغط أو هبوط عجلة السيارة وغيرها الكثير من الحوادث، وفيما يأتي بعض التطبيقات الموجودة في حياتنا اليومية:^[٤]

• قدر الضغط: هو عبارة عن إناء لطهي الطعام عن طريق ضغط البخار، وتُلخّص آلية عمله بطهي الطعام ببخار الماء الموجود في نفس الإناء عند تعرضه لدرجات الحرارة التي تؤدي إلى تبخّر الماء، وعند استمرار ضغط البخار في الارتفاع تتجاوز درجة حرارة بخار الماء 100 درجة مئوية وهي درجة غليان الماء، وبالتالي يتم طهي الطعام بشكل أسرع من الطهي بالقدر العادي على هذه الدرجة من الحرارة، وبالطبع فإن حجم القدر لا يتغير مما يعني ثبوت حجم الإناء كما في قانون جاي لوساك.^[٥]
• إطارات السيارات: قد يحدث انفجار لإطارات السيارة المنتفخة في فصل الصيف، وذلك بسبب ارتفاع درجات الحرارة وبالتالي زيادة ضغط الهواء الموجود في الإطارات، وعند نقطة معينة لا يتحمّل الإطار زيادة الضغط فينفجر وذلك بحسب قانون جاي لوساك الذي يفسر زيادة الضغط عند ازدياد درجات الحرارة.^[٦]
• سخّان الماء الكهربائي: سخان الماء الكهربائي مشابه لقدر الضغط، إذ يتم تسخين الماء بواسطة أنابيب التسخين الموجودة داخل السخّان، ويتم إطلاق البخار المتولد من خلال فوهة المخرج، وتنظم هذه السخانات الكهربائية الحديثة درجة حرارة الماء تلقائيًا، ولكن عند حدوث عطل في النظام أو في صمام تخفيف الضغط فإن البخار يتولّد بسبب مصدر الطاقة المستمر، بحيث يمكن أن يتسبب هذا البخار في تلف السخان ولكن إذا تجاوز ضغط البخار الحد المسموح به فقد ينفجر السخان.^[٦]
• البخاخات: وهي أجهزة تنشر رذاذًا أو مجموعة من الجسيمات الصلبة الدقيقة أو القطرات السائلة المعلّقة في الهواء، وعندما يتم فتح صمام البخاخ يتم إخراج الغاز على شكل رذاذ، وتُعد أهم مكونات البخاخ هي المادة الدافعة التي تتكون من مركبات عالية التطاير تم تسييلها عن طريق الضغط العالي والتي تقوم بدفع مكونات البخاخ عندما يتم فتح الصمام، وعند تعرُّض هذه البخاخات لبيئة ذات درجات حرارة مرتفعة فإن هذه المادة الدافعة تتبخر ويزداد ارتطام جزيئاتها بسطح علبة البخاخ من الداخل، وبالتالي يزداد ضغطها فتنفجر العلبة عندما يصبح الضغط غير محتمل، لذلك يوصى بوضع البخاخات بعيداً عن مصادر الحرارة.^[٦]

قوانين أخرى لجاي لوساك

هل يوجد قوانين أخرى للعالم جاي لوساك؟ يوجد العديد من القوانين الأخرى للعالم جاي لوساك المتعلقة بالغازات والتي تسمى قوانين جاي لوساك للغازات، وكانت أول تجربة العالم لوساك هي دراسة التمدد الحراري للغازات، إذ استخدم الغازات الجافة والزئبق النقي لضمان النتيجة واستنتج من التجربة أن جميع الغازات تتمدد بالتساوي على مدى درجة حرارة 0-100 درجة مئوية، ومن القوانين الأخرى التي اكتشفها جاي لوساك هو القانون الخاص بأحجام تجميع الغازات، إذ أثبت لوساك أن الهيدروجين والأكسجين يتحدان بالحجم بنسبة 2: 1 لتكوين الماء، وبعد ذلك مكنته الدراسات العديدة حول هذا الموضوع بتعميم هذا السلوك على جميع الغازات.^[٧]

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "Gay-Lussac’s Law", byjus, Retrieved 8/6/2021. Edited.
2. ↑ "The Equation of Gay-Lussac's Law", chemistrygod, Retrieved 7/6/2021. Edited.
3. ↑ "Gay-Lussac's Gas Law Examples", thoughtco, Retrieved 7/6/2021. Edited.
4. ↑ "Real-life Examples of Gay-Lussac's Law", chemistrygod, Retrieved 7/6/2021. Edited.
5. ↑ "Charles' Law and Gay-Lussac's Law", letstalkscience, Retrieved 7/6/2021. Edited.
6. ^ ^{أ ب ت} "Real-life Examples of Gay-Lussac's Law", chemistrygod, Retrieved 7/6/2021. Edited.
7. ↑ "Joseph-Louis Gay-Lussac", britannica, Retrieved 7/6/2021. Edited.