كان الجو باردًا جدًا هذا الأسبوع، حتى في المكان الذي أعيش فيه في لويزيانا، وذلك بفضل اندلاع دوامة قطبية. هذا الهواء البارد سيء لجميع أنواع الأشياء، بما في ذلك خوذات كرة القدم، على ما يبدو. ولكنه في الواقع وقت رائع لتوضيح إحدى الأفكار الأساسية في العلوم: قانون الغاز المثالي.
ربما لديك بعض البالونات في مكان ما حول المنزل، ربما من بقايا رأس السنة الجديدة. جرب هذا: انفخ بالونًا واربطه بإحكام. فهمتها؟ الآن ارتدي أدفأ سترة لديك وخذ البالون إلى الخارج. ما يحدث؟ نعم، مع انخفاض درجة الحرارة، ينكمش البالون – يتناقص الحجم الداخلي – على الرغم من أنه لا يزال يحتوي على نفس المبلغ الهواء!
كيف يمكن أن يكون؟ حسنًا، وفقًا لقانون الغاز المثالي، هناك علاقة بين درجة الحرارة والحجم والضغط للغاز في حاوية مغلقة، بحيث إذا كنت تعرف اثنين منهم يمكنك حساب الثالث. المعادلة الشهيرة هي بف = نرت. يقول الضغط (ص) مرات الحجم (الخامس) يساوي منتج كمية الغاز (ن) ، ثابت التناسب (ر) ودرجة الحرارة (ت). أوه، نعني بكمية الغاز كتلة جميع الجزيئات الموجودة فيه.
هناك مجموعة من الأشياء يجب أن أتطرق إليها هنا، لكن دعني أنتقل إلى النقطة الرئيسية. هناك طريقتان للنظر إلى الغاز. ما قدمته للتو هو في الواقع طريقة الكيمياء. يتعامل هذا مع الغاز باعتباره وسطًا مستمرًا، بنفس الطريقة التي تنظر بها إلى الماء باعتباره مجرد سائل، وله الخصائص التي ذكرناها للتو.
لكن في الفيزياء، نحب أن نفكر في الغاز على أنه مجموعة من الجسيمات المنفصلة التي تتحرك. في الهواء، ستكون هذه جزيئات النيتروجين (N2) أو الأكسجين (O2); في النموذج، هي مجرد كرات صغيرة تقفز في حاوية. لا يوجد لجزيء واحد من الغاز ضغط أو درجة حرارة. بدلا من ذلك لديها كتلة وسرعة.
ولكن هنا النقطة المهمة. إذا كانت لدينا طريقتان لنمذجة الغاز (على أنه مستمر أو على شكل جسيمات)، فيجب أن يتفق هذان النموذجان في توقعاتهما. وعلى وجه الخصوص، يجب أن أكون قادرًا على تفسير الضغط ودرجة الحرارة باستخدام نموذج الجسيمات الخاص بي. أوه، ولكن ماذا عن الخصائص الأخرى في قانون الغاز المثالي؟ حسنًا، لدينا حجم غاز متصل. لكن بما أن الغاز يشغل كامل المساحة في الوعاء، فهو يساوي حجم الوعاء. إذا وضعت مجموعة من الجزيئات الصغيرة في صندوق من الحجم الخامس، سيكون هذا هو نفس حجم الغاز المستمر. ثم لدينا “كمية” الغاز التي يحددها المتغير ن في قانون الغاز المثالي . وهذا في الواقع هو عدد مولات هذا الغاز. إنها في الأساس مجرد طريقة أخرى لحساب عدد الجزيئات. لذلك، يجب أيضًا أن يتفق هنا نموذج الجسيم والنموذج المستمر. (هل تريد معرفة المزيد عن الشامات؟ إليك شرحًا لك.)
النموذج الجزيئي لقانون الغاز المثالي
حسنًا، إذا أخذت بالونًا منتفخًا، فسيحتوي على الكثير من جزيئات الهواء، ربما حوالي 1022 حبيبات. لا توجد طريقة يمكنك عدهم. لكن يمكننا بناء نموذج فيزيائي للغاز باستخدام عدد أقل بكثير من الجسيمات. في الواقع، لنبدأ بجسيم واحد فقط. حسنًا، يمكنني بسهولة أن أمثل جسمًا واحدًا يتحرك بسرعة ثابتة، لكن هذا ليس غازًا. أنا على الأقل بحاجة لوضعه في حاوية. لتبسيط الأمر، دعونا نستخدم المجال.
سيتحرك الجسيم داخل الكرة، لكن سيتعين عليه التفاعل مع الجدار في مرحلة ما. عندما يحدث ذلك، سيؤثر الجدار بقوة على الجسيم في اتجاه عمودي على السطح. لكي نرى كيف تغير هذه القوة حركة الجسيم، يمكننا استخدام مبدأ الزخم. وهذا يعني أن الجسيم المتحرك لديه زخم (ص) التي تساوي كتلة الجسيم (م) ضرب سرعته (الخامس). ثم قوة صافية (F) سوف ينتج تغييرا معينا في الزخم (يرمز له بـ Δص) لكل وحدة زمنية. تبدو هكذا:
