قوانين الغازات المثاليّة

المتغيرات الثلاثة: حجم الغاز والضغط الذي يُؤثِّر به ودرجة حرارته، تتعلق ببعضها البعض. لتسهيل الحسابات نعتبر معظم الغازات بأنها غازات مثالية، أي أن جزيئات الغاز هي بمثابة نقيطات لا تتفاعل فيما بينها. عندها يمكن حساب حجم الغاز ودرجة حرارته وضغطه إذا عُرِفت المعطيات الأخرى.

لنعرّف أولاً كل واحد من المصطلحات الأساسية الأربعة التي تُكَوّن معادلة الغازات المثالية. المصطلحات الأربعة هي: الضغط - عدد المرات التي تُصادِمُ فيها جزيئات الغاز جدران الوعاء الذي يتواجد فيه. الحجم - الحيّز الفراغي للوعاء. درجة الحرارة - درجة حرارة الغاز (تجدون شرحًا مُفَصّلا عن درجة الحرارة تحت العنوان "التعريف الفيزيائي لدرجة الحرارة"). الثابت العام للغازات - عدد ثابت - 8.31 (لتر x أتموسفيرا / درجات كيلفن x مول) - وهو يُحَدّد العلاقة بين المتغيرات الثلاثة (درجة الحرارة والحجم والضغط).

الغاز المثالي هو الغاز المُكوّن من جزيئات حجمها مُهمَل، وتعتبرنقاطاً، وهي لا تتفاعل فيما بينها عند تصادمها. الافتراض بأن الغازات تتصرف كغازات مثالية هو افتراض ضروري لتسهيل حساب درجة حرارة الغاز وحجمه وضغطه. من الجدير بالذكر أن هناك قوانين مُوَسّعة للغازات تأخذ بالحسبان حجم جزيئات الغاز وردود الفعل المتبادلة فيما بينها، مثل قانون ڤان در ڤالس للغازات الحقيقية.

تتكون معادلة الغاز المثالي من ثلاثة قوانين هامة: قانون بويل، قانون تشارلز والقانون المشترك للغازات. القوانين الثلاثة تُحَدّدُ العلاقة بين حجم الغاز وضغطه ودرجة حرارته. قانون بويل يُحَدّد العلاقة بين الضغط وبين الحجم، فكلما ازداد الحجم يقل الضغط، لأن احتمال اصطدام جزيئات الغاز بجدران الوعاء يقل (تجدون شرحًا أوفى عن قانون بويل تحت العنوان "قانون بويل - العلاقة بين درجة الحرارة والضغط وبين الحجم"). ويُحَدّد قانون تشارلز العلاقة بين درجة الحرارة وبين الحجم. فكلما ارتفعت درجة الحرارة يزداد الحجم لأن جزيئات الغاز تكتسب حرارة أو بتعبير آخر طاقة حركية تجعلها تتحرك بسرعة أكبر مما يزيد من ضغطها. ازدياد الضغط يؤدي بدوره إلى ازدياد الحجم على حساب عودة الضغط إلى ما كان عليه (ذلك يعني ازدياد حجم الغاز عند رفع درجة حرارته مع حِفظ الضغط ثابتاً). ويدمج القانون المشترك للغازات ما بين القانونين المذكورين (قانون بويل وقانون تشارلز) فيُبيّن العلاقات ما بين درجة الحرارة وبين الضغط والحجم. قانون الغازات المثالية يدمج بين هذه القوانين في معادلة رياضية بسيطة.

عدد جزيئات الغاز = (الضغط x الحجم) ÷ (الثابت العام للغازات x درجة الحرارة)