قانون بويل ماريوت: التاريخ والتعبير والأمثلة - كيمياء - 2026

قانون بويل ماريوت هو القانون الذي يعبر عن العلاقة بين الضغط الذي يمارسه الغاز أو عليه والحجم الذي يشغله ؛ الحفاظ على درجة حرارة الغاز ثابتة وكميته (عدد المولات).

يصف هذا القانون ، إلى جانب قانون تشارلز وجاي لوساك وتشارلز وأفوجادرو ، سلوك الغاز المثالي ؛ على وجه التحديد ، في حاوية مغلقة تخضع لتغيرات الحجم التي تمارسها قوة ميكانيكية.

زيادة الضغط عن طريق تقليل حجم الحاوية. المصدر: غابرييل بوليفار

الصورة أعلاه تلخص بإيجاز قانون بويل ماريوت.

تمثل النقاط الأرجواني جزيئات الغاز أو الذرات التي تصطدم بالجدران الداخلية للحاوية (على اليسار). مع انخفاض المساحة أو الحجم المتاح في الحاوية التي يشغلها هذا الغاز ، تزداد التصادمات ، مما يترجم إلى زيادة في الضغط (على اليمين).

هذا يدل على أن الضغط P والحجم V للغاز يتناسبان عكسيا إذا كانت الحاوية مغلقة بإحكام ؛ خلاف ذلك ، فإن الضغط الأعلى يساوي تمددًا أكبر للحاوية.

إذا تم عمل رسم بياني V مقابل P ، باستخدام بيانات V و P على محوري Y و X ، على التوالي ، فسيتم ملاحظة منحنى مقارب. كلما كان V أصغر ، زادت الزيادة في P ؛ أي أن المنحنى سيمتد باتجاه القيم العالية لـ P على المحور X.

بالطبع تظل درجة الحرارة ثابتة. ولكن ، إذا تم إجراء نفس التجربة في درجات حرارة مختلفة ، فإن المواضع النسبية لمنحنيات V مقابل P ستتغير على المحور الديكارتي. سيكون التغيير أكثر وضوحًا إذا تم رسمه على محور ثلاثي الأبعاد ، مع ثابت T على المحور Z.

تاريخ قانون بويل

خلفية

منذ أن أعرب العالم جاليليو جاليلي عن إيمانه بوجود فراغ (1638) ، بدأ العلماء بدراسة خصائص الهواء والفراغات الجزئية.

بدأ الكيميائي الأنجلو-إيرلندي روبرت بويل دراسته لخصائص الهواء عام 1638 عندما علم أن أوتو فون جويريك ، المهندس والفيزيائي الألماني ، قد بنى مضخة هواء.

تجربة الزئبق

لإجراء دراساته لضغط الهواء ، استخدم بويل أنبوبًا زجاجيًا على شكل "J" ، نُسب تصميمه إلى روبرت هوك ، مساعد بويل. تم إغلاق نهاية الذراع القصيرة ، بينما كانت نهاية الذراع الطويلة للأنبوب مفتوحة لوضع الزئبق.

منذ البداية ، أراد بويل دراسة مرونة الهواء نوعًا وكميًا. عن طريق سكب الزئبق من خلال الطرف المفتوح للأنبوب "J" ، استنتج بويل أن الهواء في الذراع القصيرة للأنبوب يتقلص تحت ضغط الزئبق.

النتائج

كلما زادت كمية الزئبق المضافة إلى الأنبوب ، زاد الضغط على الهواء وصغر حجمه. حصل بويل على مخطط أسي من النوع الأسي لحجم الهواء كدالة للضغط.

وفي الوقت نفسه ، إذا تم رسم حجم الهواء مقابل معكوس الضغط ، يكون لدينا خط مستقيم بميل موجب.

في عام 1662 ، نشر بويل أول قانون فيزيائي تم تقديمه في شكل معادلة ، والتي أشارت إلى الاعتماد الوظيفي لمتغيرين. في هذه الحالة ، الضغط والحجم.

وأشار بويل إلى وجود علاقة عكسية بين الضغط الذي يمارس على الغاز والحجم الذي يشغله الغاز ، وهذه العلاقة صحيحة نسبيًا بالنسبة للغازات الحقيقية. تتصرف معظم الغازات مثل الغازات المثالية في درجات حرارة وضغوط معتدلة.

مع حدوث ضغوط أعلى ودرجات حرارة منخفضة ، أصبحت الانحرافات في سلوك الغازات الحقيقية عن المُثُل أكثر وضوحًا.

إدم ماريوت

اكتشف الفيزيائي الفرنسي إدمي ماريوت (1620-1684) القانون نفسه بشكل مستقل في عام 1679. ولكن كان له ميزة إظهار أن الحجم يختلف باختلاف درجة الحرارة. وهذا هو سبب تسميته بقانون ماريوت أو قانون بويل وماريوت.

تعزيز القانون

عزز دانيال برنولي (1737) قانون بويل بالإشارة إلى أن ضغط الغاز ينتج عن تأثير جزيئات الغاز على جدران الحاوية التي تحتوي عليه.

في عام 1845 ، نشر جون ووترستون مقالًا علميًا ، ركز فيه على المبادئ الرئيسية للنظرية الحركية للغازات.

لاحقًا ، قام كل من رودولف كلاوسيوس وجيمس ماكسويل ولودكويج بولتزمان بتوحيد النظرية الحركية للغازات ، والتي تربط الضغط الذي يمارسه الغاز بسرعة جسيمات الغاز المتحركة.

كلما كان حجم الحاوية التي تحتوي على غاز أصغر ، زاد تواتر تأثيرات الجزيئات التي تشكله على جدران الحاوية ؛ وبالتالي ، كلما زاد الضغط الذي يمارسه الغاز.

عن ماذا يدور هذا القانون؟

تشير التجارب التي أجراها بويل إلى وجود علاقة عكسية بين الحجم الذي يشغله الغاز والضغط الذي يمارس عليه. ومع ذلك ، فإن العلاقة المشار إليها ليست خطية تمامًا ، كما يتضح من الرسم البياني لتغير الحجم كدالة للضغط المنسوب إلى Boyle.

يشير قانون بويل إلى أن الحجم الذي يشغله الغاز يتناسب عكسياً مع الضغط. يشار أيضًا إلى أن ناتج ضغط الغاز وحجمه ثابتان.

تعبير رياضي

للوصول إلى التعبير الرياضي لقانون بويل ماريوت ، نبدأ من:

الخامس ∝ 1 / ف

حيث يشير إلى أن الحجم الذي يشغله الغاز يتناسب عكسياً مع ضغطه. ومع ذلك ، هناك ثابت يحدد مدى تناسب هذه العلاقة عكسيا.

V = ك / ف

حيث k هو ثابت التناسب. لحل k لدينا:

VP = ك

ناتج ضغط الغاز وحجمه ثابتان. وبالتالي:

V ₁ P ₁ = k و V ₂ P ₂ = ك

ومن هذا يمكن استنتاج أن:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

هذا الأخير هو التعبير أو المعادلة النهائية لقانون بويل.

لما هذا؟ ما هي المشاكل التي يحلها قانون بويل؟

المحركات البخارية

قطار بخاري. المصدر: Pixabay.

يطبق قانون Boyle-Mariotte في تشغيل المحركات البخارية. إنه محرك احتراق خارجي يستخدم تحويل الطاقة الحرارية لكمية من الماء إلى طاقة ميكانيكية.

يتم تسخين الماء في غلاية محكمة الإغلاق ، ويمارس البخار الناتج ضغطًا وفقًا لقانون بويل ماريوت الذي ينتج تمددًا حجميًا للأسطوانة عن طريق دفع مكبس.

يتم تحويل الحركة الخطية للمكبس إلى حركة دورانية ، من خلال استخدام نظام من قضبان التوصيل والأذرع ، والتي يمكنها قيادة عجلات القاطرة أو دوار المولد الكهربائي.

حاليًا ، المحرك البخاري البديل هو محرك قليل الاستخدام ، حيث تم إزاحته بواسطة المحرك الكهربائي ومحرك الاحتراق الداخلي في مركبات النقل.

رشفة المشروبات

يرتبط عمل شفط مشروب غازي أو عصير من زجاجة عبر أنبوب بلاستيكي بقانون بويل ماريوت. عندما يتم امتصاص الهواء من الأنبوب باستخدام الفم ، يحدث انخفاض في الضغط داخل الأنبوب.

يسهل هذا الانخفاض في الضغط الحركة الصعودية للسائل في الأنبوب ، مما يسمح بابتلاعه. يعمل هذا المبدأ نفسه في سحب الدم من خلال استخدام حقنة.

الجهاز التنفسي

الجهاز التنفسي. المصدر: Pixabay

يرتبط قانون Boyle-Mariotte ارتباطًا وثيقًا بوظيفة الجهاز التنفسي. خلال مرحلة الشهيق ، ينقبض الحجاب الحاجز والعضلات الأخرى ؛ على سبيل المثال ، الوربية الخارجية التي تنتج تمدد القفص الصدري.

يؤدي هذا إلى انخفاض الضغط داخل الجنبة ، مما يؤدي إلى تمدد الرئة مما يؤدي إلى زيادة حجم الرئة. لذلك ، ينخفض ​​الضغط داخل الرئة وفقًا لقانون بويل ماريوت.

عندما يصبح الضغط داخل الرئة تحت الغلاف الجوي ، يتدفق الهواء الجوي إلى الرئتين ، مما يؤدي إلى زيادة الضغط في الرئتين ؛ وبذلك تعادل ضغطها بالضغط الجوي ، وتختتم مرحلة الشهيق.

بعد ذلك ، تسترخي عضلات الشهيق وتنقبض عضلات الزفير. بالإضافة إلى ذلك ، يحدث الانكماش الرئوي المرن ، وهي ظاهرة تؤدي إلى انخفاض حجم الرئة ، مع ما يترتب على ذلك من زيادة في الضغط داخل الرئة ، كما أوضح قانون بويل ماريوت.

كلما زاد الضغط داخل الرئة ، وأصبح أكبر من الضغط الجوي ، يتدفق الهواء من داخل الرئتين إلى الغلاف الجوي. يحدث هذا حتى تتساوى الضغوط ، والتي تختتم مرحلة الزفير.

أمثلة (تجارب)

التجربة 1

يتم وضع بالون صغير مغلق بإحكام ، يصنع عقدة في فمه ، داخل محقنة ، تم سحب المكبس منها ، بحوالي 20 مل. يتم وضع مكبس المحقنة في منتصف المحقنة ، ويتم سحب الإبرة وسد مدخل الهواء.

الملاحظة

عن طريق سحب مكبس الحاقن ببطء ، لوحظ أن البالون ينتفخ.

تفسير

يمارس ضغطان على جدار البالون: ضغط على وجهه الداخلي ، ومنتج من الهواء الموجود داخل البالون ، وضغط آخر على الوجه الخارجي للبالون بواسطة الهواء الموجود في الحقنة.

من خلال سحب مكبس الحاقن ، يتم إنشاء نصف فراغ بالداخل. لذلك ، ينخفض ​​ضغط الهواء على الوجه الخارجي لجدار المضخة ، مما يجعل الضغط الذي يمارس داخل المضخة أعلى نسبيًا.

هذا الضغط الصافي ، وفقًا لقانون Boyle-Mariote ، سوف ينتج عنه انتفاخ في جدار البالون وزيادة حجم البالون.

التجربة 2

يتم قطع الزجاجة البلاستيكية إلى النصف تقريبًا ، مما يضمن أن يكون القطع أفقيًا قدر الإمكان. يتم وضع بالون مناسب بإحكام في فم الزجاجة ، وفي نفس الوقت يتم وضع كمية معينة من الماء في طبق عميق.

الملاحظة

عن طريق وضع الجزء السفلي من الزجاجة مع البالون فوق الماء في الطبق ، يتم نفخ البالون بشكل معتدل.

تفسير

يقوم الماء بإزاحة كمية معينة من الهواء ، مما يزيد من ضغط الهواء على جدار الزجاجة وداخل البالون. هذا يسبب ، وفقًا لقانون Boyle-Mariotte ، زيادة في حجم البالون ، والتي يتم تصورها من خلال تضخم البالون.

المراجع

1. ويكيبيديا. (2019). قانون بويل. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
2. محررو Encyclopaedia Britannica. (27 يوليو 2018). قانون بويل. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com
3. هيلمنستين ، تود. (05 ديسمبر 2018). صيغة قانون بويل. تم الاسترجاع من: thinkco.com
4. الأفلام الهندية الشابة. (15 مايو 2018). قانون بويل: تجربة علمية للأطفال. تم الاسترجاع من: yifindia.com
5. سيسيليا بيمبيبري. (22 مايو 2011). منطاد. تعريف ABC. تم الاسترجاع من: Definicionabc.com
6. جانونج ، دبليو ، ف. (2003). علم وظائف الأعضاء الطبية. (الطبعة ال 19). تحرير الدليل الحديث.