نعرِضُ لكم تجربةً مِنَ الجدير إِجراؤُها كَتَحدي مَرِحٍ مَع الناس – والطَّلَبُ منهم نفخَ بالونٍ داخِلَ قنِّينة، وبعد أَن يَيأَسُوا، نقومُ بإجراءِ التَّجربة أَمامهم.
تتطَلَّبُ التّجربة إِشرافَ شَخصٍ بالغ!
المعدات
- بالون
- قنّينة زجاجيّة
- ماء يغلي (الحَذَرَ!)
- مِنشفةٌ أَو قفَّازات مطبخ
مَجرى التَّجربة
يُمكِنُ رؤية مجرى التّجربة في الفيلم القصير التّالي:
الشَّرح
الهواءُ المحيطُ بنا هو مادَّةٌ كبقيّة الموادّ – وهو، بكلِّ بساطةٍ، موجودٌ في الحالة الغازيّة. كما في الموادِّ الصُّلبة والسَّائلة، فَلِلغازاتِ حَجمٌ أَيضًا، ولكنْ خِلافًا لها، فالغازُ يُمكِنُ أَن يُضغَطَ بسهولةٍ أَكبر عندما يُشغَّل عليه ضغطٌ. عندما "نُلبِسُ" البالون على فُتحة القنّينة ونسدُّها تمامًا، لا يستطيعُ هواء القنّينة أَن يخرُجَ ليتركَ مَكانًا للبالونِ الآخذِ في الانتفاخ، لذلك لا يُمكِنُ نفخُ البالون في هذه الحالة. أَو لِنَكُنْ دَقِيقِينَ، لا يستطيعُ بنو البشرِ القيامِ بذلك – مِضخَّةُ ضغطِ هواءٍ قويّة بما فيه الكفاية، تنجَحُ في نفخ البالون وهو في دَاخِلِ القنّينة أَيضًا، بواسطةِ تشغيلِ ضغطٍ قَوِيٍّ يضغَطُ الهواء الموجود داخِلَ القنّينة. الرِّئاتُ البشريّة ليست قويَّةً بما فيه الكفاية للقيام بذلك.
يُمكِنُ فهمُ المسأَلةِ بشكلٍ أَوضَحَ إِذا فكَّرنا بالماء (سائل) بَدَلَ الهواء – فَمِنَ الواضِحِ تمامًا أَنَّهُ إِذا أَدخَلنا مادَّةً إِضافِيّة (صُلبةً أَو سَائِلَة) لوعاءٍ مَعَ ماءٍ، ستؤدِّي المادّة الإِضافيّة إلى خروج الماءِ مِنَ الوعاء – هذا أَحَدُ مبادِئِ قانون أَرخَميدِس. بالشّكلِ نفسِهِ، إِذا ملأنا كأسًا ببنانيرَ زجاجيّة صُلبة، وأَردنا إِدخالَ المزيدِ مِنَ البنانير، يجبُ أَوَّلًا إِخراجُ قِسم ٍمِنَ البنانير الموجودة في الكَأسِ من قبلُ.
ترتَكِزُ الطّريقة الّتي نستعملها من أَجلِ نفخِ البالون، وهو داخِلَ الزُّجاجة، إلى قوانين الغازات الّتي تربِطُ بين الحَجمِ، والضَّغطِ، ودرجة الحرارة، وكمِّيَّة الغاز. ومن جُملةِ أُمورٍ أُخرى، فَإِنَّ هذه القوانين تَنُصُّ على أَنَّهُ توجد علاقةٌ طردِيَّة بين درجة الحرارة وحجم الغازِ، ما دامَ الضَّغطُ ثابتًا. أَي إِذا سَخَنَّا غازًا فإِنَّ حجمَهُ سَيزدَادُ، وإذا برَّدناهُ سيَقِلُّ الحجم. تُسمَّى هذه الظَّاهرة "قانون شارل".
كما أَنَّهُ توجد علاقةٌ طردِيَّة بين درجة الحرارة وبين ضغط الغاز، ما دُمنا مُحافِظين على حَجمٍ ثابت. أَي أَنَّهُ إِذا سَخنَّا غازًا في وعاءٍ مُغلَقٍ سيرتفِعُ ضغطُهُ، ويَقِلُّ الضَّغطُ عند تبريده. هذه الظّاهرة، والّتي تُشبِهُ الظّاهرة السَّابقة كثيرًا، تُسمَّى قانون "جي لوسك".
حسب هذيْنِ القانونَيْنِ، يُمكِنُ شرحُ ما يحدُثُ في التّجربة – نَسُدُّ القنّينة ببالونٍ وتكونُ القنّينة ساخِنَةً، وفيها غازٌ ساخِنٌ، لكنَّ الضَّغطَ داخلها مماثِلٌ تمامًا لضغط الهواء في الخارجِ، لحظةَ سَدِّ فتحة القنّينة. وخلال فترةٍ ليست بِطويلةٍ، تبرُدُ القنّينة والغاز الّذي في داخِلِها، وينخَفِضُ الضَّغطُ داخِلَ القنّينة. وعندما يحدُثُ ذلك، يُصبِحُ ضغطُ الهواءِ الخارجيّ أَكبرَ مِن ضغط الهواءِ داخِلَ القنّينة، ويضغَطُ الهواءُ الخارجيُّ على كُلِّ جدرانِ البالونِ فينفُخُهُ.
قدَّمنا هذا الشَّرح من وُجهة نظر قانون جي لوسك. حاوِلوا التَّفكير بشرحٍ مُشابِهٍ من وُجهة نظر "قانون شارل"، والّذي يتحدَّثُ عَنِ الأَحجام. اِنتبهوا إلى أَنَّهُ عمليًّا، كِلا القانُونَيْنِ متوازِيانِ ومُشتَقَّانِ من قانونٍ عامٍّ واحِدٍ، والمصُوغُ مِن قانونِ الغازات. يُمكِنُكُم رؤيةُ تفاصِيلِهِ في الرَّابطِ أَعلاه.