قانون شارل للغازات (الصياغة وأمثلة حسابية)

صيغة قانون شارل للغازات

كيف يمكن التعبير عن قانون شارل بالكلمات والرموز؟ ينص قانون شارل بشكل عام على أنّ حجم الغاز يتناسب طرديًّا مع درجة حرارته المطلقة، فيزداد بازديادها ويقل بنقصانها، بشرط ثبات ضغطه،^[١] ويمكن التعبير عن هذه العلاقة كالآتي:V ∝ T،^[٢] كما يمكن التعبير قانون شارل للغازات بالرموز: k=V/T، إذ إنّ:^[٣]

• k: مقدار ثابت يتم تحديده لكل عينة من الغاز بثبات الضغط، ووحدته ملليتر/ كلفن.
• V: حجم الغاز بوحدة ملليلتر (مل).
• T: درجة الحرارة للغاز بوحدة كلفن.

كما يمكن استخدام قانون شارل وهو من قوانين الغازات المهمّة جدًا للمقارنة بين الظروف المختلفة للغاز كالآتي: V1/ T1 = V2/ T2، إذ إنّ:^[٤]

• V1: الحجم الابتدائي للغاز.
• T1: درجة الحرارة الابتدائية للغاز.
• V2: الحجم النهائي للغاز.
• T2: درجة الحرارة النهائية للغاز.

وغالبًا ما يُستخدم القانون السابق في الأسئلة التي يتوافر فيها 3 معطيات من أصل 4.^[٤]

ملاحظة: يستخدم قانون شارل وحدة كلفن فقط للتعبير عن درجة الحرارة، وفي حال توافرها بوحدة سيليسيوس يمكن التحويل من خلال العلاقة: كلفن= سليسيوس+ 273.^[٤]

أمثلة حسابية على قانون شارل للغازات

فيما يأتي بعض الأمثلة التي توضّح قانون شارل:

• مثال 1: إذا كان حجم غاز ما عند درجة حرارة 0 درجة سيليسيوس وضغط 760 مم زئبق يساوي 221 سم³، فما حجمه المتوقّع عند رفع درجة حرارته إلى 100 درجة سيليسيوس؟^[٢]
  • الحل: يمكن استخدام قانون شارل V1/ T1 = V2/ T2
  • V1: يساوي 221 سم³.
  • T1: تساوي 0 درجة سيليسيوس.
  • V2: مجهول.
  • T2: تساوي 100 درجة سيليسيوس.
  • يلزم أولًا تحويل درجات الحرارة الواردة إلى كلفن، فيكون:
  • T1 = 273+ 0= 273 كلفن.
  • T2= 100+273 =373 كلفن.
  • بالتعويض في القانون ينتج: 273/ 221= V2/ 373
  • إذن فالحجم النهائي (V2) = 302 سم³.
• مثال 2: إذا تغيّر حجم عينة من غاز النيتروجين من 600 مل إلى 700 مل، وكان حجمها الابتدائي مُقاسًا عند درجة حرارة 27 درجة سيليسيوس، فما درجة حرارة العينة النهائية علمًا بأن الضغط ثابت لم يتغيّر؟^[٢]
  • الحل:^[٢]
  • V1: يساوي 600 مل.
  • T1: تساوي 27 سيلسيوس، نحولها إلى كلفن كالتالي: 27+ 237 = 300 كلفن.
  • V2: يساوي 700 مل.
  • T2: مجهول.
  • باستخدام القانون: V1/ T1 = V2/ T2
  • 300/600= 700/ T2
  • إذن، درجة الحرارة النهائية (T2) = 350 كلفن.

تطبيقات على قانون شارل للغازات

ما مجالات استخدام قانون شارل في الحياة اليوميّة؟ تظهر تطبيقات قانون شارل فيما يأتي:

• طيران المنطاد المعبّأ بالهواء الساخن، إذ إنّ التسخين يزيد من الحجم ويقلل من الكثافة فيطير المنطاد.^[٢]
• يمكن استخدام البالونات كمقياس يمكن من خلاله تقدير درجات الحرارة، إذ ينكمش البالون في البرد ويتضخّم في الحرّ، إلا أنّ هذا ليس دقيقًا بما يكفي.^[٢]
• يتم استخدام حقنة مخصصة عند طهي الديك الرومي، إذ تعمل زيادة درجة الحرارة داخل الديك على اندفاع مكبس الحقنة بسبب زيادة حجم الهواء ويعدّ هذا معيارًا مناسبًا للتأكّد من نضوج الديك.^[٥]

قانون شارل والصفر المطلق

ماذا يحدث بالضبط عند الصفر المطلق؟ وكيف يُستخدم قانون شارل عنده؟ في الواقع لا يمكن استخدام قانون شارل عند درجة حرارة صفر مطلق، شأنه شأن جميع القوانين الخاصّة بالغازات المثالية التي لا يمكن تطبيقها كذلك عند هذه الدرجة، كما تعدّ درجة حرارة صفر درجة قاسية وتغيّر من حالة المادة؛ إذ يمكن أن يتحوّل عندها الغاز إلى الحالة السائلة أو حتى الصلبة؛ إذ إنّ الغاز تتحوّل حالته المادّية عند انخفاض درجة حرارته إلى مثل هذا الحدّ، وعدا عن ذلك فإنّ تطبيق القانون عند درجة حرارة صفر مطلق تعني أنّ الحجم سيساوي صفرًا وهذا غير منطقي ولا يمكن أن يحدث عمليًّا ولا معنى للحجم الصفريّ أصلًا.^[٢]

المراجع

1. ↑ Adam Augustyn (18/02/2020), "Charles's law", britannica, Retrieved 04/06/2021. Edited.
2. ^ ^{أ ب ت ث ج ح خ} Anne Helmenstine (03/03/2021), "Charles’s Law – Definition, Formula, Examples", sciencenotes, Retrieved 04/06/2021. Edited.
3. ↑ Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe and others (30/04/2021), "Charles's Law", chem.libretexts, Retrieved 04/06/2021. Edited.
4. ^ ^{أ ب ت} Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe and others (30/04/2021), "14.4: Charles's Law", chem.libretexts, Retrieved 04/06/2021. Edited.
5. ↑ Fred Senese (23/02/2018), "What are some examples of the gas laws in action in everyday life?", General Chemistry Online, Retrieved 04/06/2021. Edited.