قوانين الغازات والحركة الجزيئية
يستنتج العلاقات بين ضغط الغاز وحجمه ودرجة حرارته المطلقة وعدد جزيئاته بتثبيت متغيّر في كل مرة، ويفسّرها بنظرية الحركة الجزيئية.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: خصائص الغازات — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٨): الحركة البراونية — ص ١٠٩
- نشاط (٩): العلاقة بين حجم الغاز وعدد المولات — ص ١١٠
- نشاط (١٠): العلاقة بين ضغط الغاز وحجمه — ص ١١١
- نشاط (١١): العلاقة بين حجم الغاز ودرجة حرارته — ص ١١٣
- نشاط (١٢): العلاقة بين ضغط الغاز ودرجة حرارته — ص ١١٥
خطوات التجربة
افتح شاشة «الانتشار»، وضع جزيئات في جهة واحدة من الحاجز، ثم اضغط «إزالة الحاجز». لاحظ حركة الجزيئات العشوائية وانتشارها كما انتشر الحبر في الماء.
افتح شاشة «مثالي»، واختر من «المتغير الثابت» «الضغط↕الحجم»، وفعّل «العرض». أضف جزيئات بالمضخة على دفعات متساوية، وسجّل عرض الوعاء بعد كل دفعة (العرض يمثّل الحجم لأن ارتفاع الوعاء وعمقه ثابتان).
اختر «درجة الحرارة» من «المتغير الثابت». اسحب مقبض جدار الوعاء لتغيير عرضه، وسجّل «الضغط» عند أربعة أعراض مختلفة على الأقل، واحسب حاصل ض × ح في كل مرة.
اختر «الضغط↕الحجم» مرة أخرى. حرّك ذراع «تسخين» إلى أعلى ثم إلى «تبريد»، وسجّل درجة الحرارة بالـ K وعرض الوعاء في كل مرة.
اختر «الحجم» من «المتغير الثابت». سخّن الغاز ثم برّده، وسجّل «الضغط» ودرجة الحرارة بالـ K في جدول.
ارسم لكل جدول العلاقة المناسبة: الحجم مقابل عدد الجزيئات، والضغط مقابل الحجم، والحجم مقابل درجة الحرارة، والضغط مقابل درجة الحرارة.
الفكرة العلمية
تفترض نظرية الحركة الجزيئية أن جزيئات الغاز تتحرك عشوائيًا في خطوط مستقيمة، وتتصادم تصادمات مرنة مع بعضها ومع الجدران، وهذه الحركة العشوائية هي ما رأيته في شاشة الانتشار. وضغط الغاز ناتج عن اصطدام الجزيئات بالجدران. فعند ثبات الضغط ودرجة الحرارة يتناسب الحجم طرديًا مع عدد المولات (قانون أفوجادرو): ح1 ÷ ن1 = ح2 ÷ ن2. وعند ثبات درجة الحرارة يتناسب الضغط عكسيًا مع الحجم (قانون بويل): ض1 × ح1 = ض2 × ح2، لأن تصغير الحجم يزيد عدد الاصطدامات بالجدران. وعند ثبات الضغط يتناسب الحجم طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة (قانون شارل): ح1 ÷ د1 = ح2 ÷ د2، وعند ثبات الحجم يتناسب الضغط طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة (قانون غايلوساك): ض1 ÷ د1 = ض2 ÷ د2، لأن التسخين يزيد سرعة الجزيئات فتصطدم بالجدران أكثر وأقوى. ودرجة الحرارة في هذه القوانين بالكلفن دائمًا.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
مع تثبيت «درجة الحرارة» صغّرت عرض الوعاء إلى النصف. ماذا يحدث للضغط؟
- يقل إلى النصف
- لا يتغيّر لأن عدد الجزيئات ثابت
- يتضاعف
- يزداد أربعة أمثال
اعرض الإجابة
ج) يتضاعف
وفق قانون بويل ض × ح ثابت عند ثبات درجة الحرارة، فإذا صار الحجم النصف تضاعف الضغط، لأن الجزيئات تقطع مسافات أقصر فتصطدم بالجدران أكثر. ومن ظن أن الضغط لا يتغيّر نسي أن الضغط يعتمد على تكرار الاصطدامات لا على عدد الجزيئات وحده.
مع تثبيت «الحجم» كان الضغط 100 kPa عند 300 K، ثم سخّنت الغاز إلى 450 K. ما الضغط الجديد؟
- 150 kPa
- 67 kPa
- 250 kPa
- 100 kPa
اعرض الإجابة
أ) 150 kPa
وفق قانون غايلوساك ض1 ÷ د1 = ض2 ÷ د2، فـ ض2 = 100 × 450 ÷ 300 = 150 kPa. ومن اختار 67 kPa قلب النسبة، ومن جمع الفرق في درجة الحرارة مع الضغط خلط بين وحدتين لا تُجمعان.
مع تثبيت «الضغط↕الحجم» سخّنت الغاز من 27 °C إلى 54 °C. كيف يتغيّر حجمه؟
- يتضاعف لأن درجة الحرارة تضاعفت
- يقل لأن الضغط ثابت
- يزداد بنسبة 10% تقريبًا
- لا يتغيّر
اعرض الإجابة
ج) يزداد بنسبة 10% تقريبًا
قانون شارل يستعمل درجة الحرارة المطلقة: 27 °C = 300 K و54 °C = 327 K، فالحجم يزداد بنسبة 327 ÷ 300 ≈ 1.09، أي نحو 10%. واستعمال درجة السلسيوس مباشرة هو الخطأ الأشهر في قوانين الغازات، وهو ما يعطي التضاعف الخاطئ.
فسّر بنظرية الحركة الجزيئية لماذا يرتفع ضغط الغاز في وعاء مغلق عند تسخينه.
اعرض الإجابة
التسخين يزيد طاقة حركة الجزيئات فتزداد سرعتها. فتصطدم بجدران الوعاء مرات أكثر في الثانية وبقوة أكبر في كل اصطدام، والحجم ثابت، فيزداد الضغط. وهذا ما ظهر في المحاكاة عند تثبيت «الحجم» وتحريك ذراع التسخين.
لماذا يُنصح بعدم ملء إطارات السيارة بالهواء إلى أقصى ضغط في يوم بارد قبل سفر طويل في الصيف؟
اعرض الإجابة
لأن حجم الإطار شبه ثابت، فإذا ارتفعت درجة حرارة الهواء داخله بالسير والجو الحار ارتفع ضغطه طرديًا مع درجة حرارته المطلقة وفق قانون غايلوساك. فقد يتجاوز الضغط الحد الآمن ويتلف الإطار أو ينفجر.