ضغط الهواء المحبوس ودرجة حرارته
يفسّر ارتفاع ضغط غاز محبوس في وعاء مغلق حين يُسخَّن وانخفاضه حين يُبرَّد، ويستعمل ذلك لتفسير دخول الماء إلى الكأس والبيضة إلى القنينة.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: مقدمة عن الغازات — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٣): سِحر الشمعة — الجزء الأول، ص ٨١
- نشاط (٤): سِحر البيضة المسلوقة — الجزء الأول، ص ٨٢
خطوات التجربة
افتح شاشة «القوانين»، واختر من لوحة «المتغير الثابت» الخيار «الحجم» كي يبقى حجم الوعاء ثابتًا كالكأس المنكّسة أو القنينة.
اسحب مقبض المضخة لتدخل دفعة من الجزيئات «ثقيلة»، وانتظر حتى تستقر قراءتا «الضغط» ومقياس الحرارة. سجّلهما في جدول أعمدته: الحالة، درجة الحرارة، الضغط.
اسحب منزلق الموقد نحو «تسخين» وأبقه قليلًا. راقب سرعة الجزيئات وقراءة «الضغط»، ثم أعد المنزلق إلى الوسط وسجّل القراءتين الجديدتين.
اسحب منزلق الموقد نحو «تبريد» حتى تنخفض درجة الحرارة عن قيمتها الأولى. سجّل ما حدث للضغط ولسرعة الجزيئات.
اختر من «المتغير الثابت» الخيار «الضغط↕الحجم»، ثم سخّن الغاز مرة أخرى. لاحظ ما يحدث لحجم الوعاء حين يُسمح له بالتغيّر، وسجّله.
الفكرة العلمية
يتكوّن الهواء من جزيئات تتحرك باستمرار وتصطدم بجدران الوعاء، وهذه الاصطدامات هي ما يسبب ضغط الغاز. فحين تسخّن الغاز تزداد سرعة جزيئاته، فتصطدم بالجدران أكثر وبقوة أكبر، فيرتفع الضغط إذا كان الحجم ثابتًا؛ وحين تبرّده تبطؤ الجزيئات فينخفض الضغط. وإن سُمح للوعاء بالتغيّر تمدّد الهواء الساخن بدل أن يرتفع ضغطه، كما يتمدّد الهواء في المناطق الحارة. وهذا يفسّر نشاطي الشمعة والبيضة: يسخن الهواء داخل الكأس أو القنينة ثم يبرد بعد انطفاء اللهب، فيصير ضغطه أقل من الضغط الجوي خارجها، فيدفع الهواء الخارجي الماء أو البيضة إلى الداخل. تنبيه: المحاكاة لا تعرض الشمعة ولا احتراقها ولا الهواء خارج الوعاء، بل تعرض الغاز المحبوس وحده وهو يُسخَّن ويُبرَّد.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
سخّنت الغاز والحجم ثابت. ماذا يحدث لقراءة «الضغط»؟
- تنخفض لأن الغاز الساخن يصير أخف
- لا تتغيّر لأن عدد الجزيئات ثابت
- ترتفع لأن الجزيئات تصطدم بالجدران أسرع وأكثر
- تصير صفرًا
اعرض الإجابة
ج) ترتفع لأن الجزيئات تصطدم بالجدران أسرع وأكثر
التسخين يزيد سرعة الجزيئات فتزداد اصطداماتها بالجدران وقوتها، فيرتفع الضغط. ومن ظنّ أنه لا يتغيّر ربط الضغط بعدد الجزيئات وحده، ونسي أن سرعتها تؤثر فيه أيضًا.
لماذا ارتفع الماء الملوّن داخل الكأس المنكّسة على الشمعة بعد انطفائها؟
- لأن ضغط الهواء داخل الكأس صار أقل من الضغط الجوي خارجها
- لأن الشمعة تمتص الماء نحوها
- لأن الماء يتمدّد بالحرارة
- لأن ضغط الهواء داخل الكأس صار أكبر من خارجها
اعرض الإجابة
أ) لأن ضغط الهواء داخل الكأس صار أقل من الضغط الجوي خارجها
حين يبرد الهواء المحبوس ينخفض ضغطه كما رأيت عند «تبريد»، فيصير الضغط الجوي الخارجي أكبر ويدفع الماء إلى الداخل. ومن قال إن الشمعة تسحب الماء ظنّ أن السحب قوة تأتي من الداخل، والصحيح أن الهواء الخارجي هو الذي يدفع.
اخترت «الضغط↕الحجم» ثم سخّنت الغاز. ماذا يحدث؟
- يصغر الوعاء
- يبقى كل شيء كما هو
- يرتفع الضغط ارتفاعًا كبيرًا
- يكبر حجم الوعاء ليبقى الضغط ثابتًا
اعرض الإجابة
د) يكبر حجم الوعاء ليبقى الضغط ثابتًا
حين يُثبَّت الضغط يتحرك جدار الوعاء ليكبر الحجم، فتقطع الجزيئات السريعة مسافة أطول قبل أن تصطدم بالجدران. وهذا يشبه تمدّد الهواء حين ترتفع درجة حرارته في الجو. ومن اختار ارتفاع الضغط نسي أن الضغط هو المثبَّت هنا.
دخلت البيضة المسلوقة إلى القنينة بعد إشعال القطن داخلها. كيف تخرجها دون أن تتفتّت؟ استعن بما رأيته في المحاكاة.
اعرض الإجابة
أجعل ضغط الهواء داخل القنينة أكبر من الضغط خارجها. فأقلب القنينة لتسدّ البيضة فوهتها من الداخل، ثم أسخّن القنينة بماء ساخن أو أنفخ فيها هواء، فيرتفع ضغط الهواء المحبوس كما رأيت عند «تسخين»، فيدفع البيضة إلى الخارج.
لماذا يُنصح بعدم ترك علبة رذاذ مغلقة داخل سيارة تحت أشعة الشمس؟
اعرض الإجابة
لأن الغاز داخل العلبة محبوس في حجم ثابت، فإذا ارتفعت درجة حرارته زادت سرعة جزيئاته واصطداماتها فارتفع ضغطه، كما رأيت في المحاكاة. وقد يصير الضغط كبيرًا فتنفجر العلبة.