قانون گازها

در فصل‌های قبلی رفتار مواد جامد و مایع را در اثر گرم شدن و سرد شدن بررسی كردیم. اكنون می‏خواهیم رفتار گازها را به صورت كمی و عددی بررسی كنیم. در این جا می‏خواهیم رابطه بین فشار(P)، حجم (V) و دما(T) یك گاز را به دست آوریم.

قبل از پرداختن به رفتار گازها، مفهوم فشار را مرور می‏كنیم. همان طور كه می‏دانید فشار یعنی نیروی وارد بر واحد سطح كه از رابطه زیر به دست می‌آید.

به طور مثال فشار هوا حدود 1atm یا 10 ⁵ paاست. فشار 10 ⁵ N بدین معنی است كه روی یك صفحه با مساحت  1m² كه در مجاورت هوا قرار گرفته، نیرویی برابر 10 ⁵ N وارد می شود.

همچنین در شكل مقابل اگر پیستون با بدنه، هیچ اصطكاكی نداشته باشد فشار گاز محبوس زیر پیستون را می‏توانیم به شكل زیر بیابیم:

F نیرویی است كه گاز به پیستون (به سمت بالا) وارد می‏كند و چون پیستون در تعادل دینامیكی است، بنابراین این نیرو با وزن پیستون به علاوه نیرویی كه جو به پیستون وارد می‌كند برابر است یعنی داریم:

فشار گاز محبوس زیر پیستون چقدر است؟ (در صورتی كه جرم پیستون 2kg، جرم وزنه M برابر 10kg و سطح مقطع پیستون برابر 30 cm ²   باشد.)

راهنمایی و حل:

بنابراین فشار گاز محبوس 0/4 atm  از فشار جو بیشتر است.

رفتار گازها:

حال به بررسی رفتار گاز می‏پردازیم. به نظر شما اگر دمای گازی را زیاد كنیم چه اتفاقی می‏افتد؟ آیا حجم آن زیاد می‏شود؟ در صورتی كه جواب شما اینست كه حجم آن ثابت می‏ماند، می‏توانید به آزمایش اوّل مراجعه كنید تا خلاف آن را ببینید و اگر جواب شما اینست كه حجم آن تغییر می‏كند (به طور مثال زیاد می‏شود) می‏توانید به آزمایش دوّم این بحث مراجعه كنید تا خلاف آنرا ببینید؟!!

سر یك بادكنك را به درب یك بطری نوشابه وصل كنید طوری كه هیچ هوایی از بیرون وارد مجموعه بطری و بادكنك نشده و از آن خارج نگردد. حال بطری را طوری در آب جوش قرار دهید كه بادكنك بیرون آب جوش باشد. آیا حجم هوای داخل بطری و بادكنك ثابت می‏ماند؟

درب نوشابه خانواده را محكم ببندید و بدنه آنرا با انگشتان خود به فشارید (براحتی می‏توانید آنرا فشرده سازید)

حالت ارتجاعی و میزان نیرویی كه برای فشردن آن وارد می‏كنید را به خاطر بسپارید.

حال ظرف را به مدت دو دقیقه در آب جوش قرار دهید، سپس آنرا خارج كنید. مجدداً بدنه آنرا با انگشتان فشار دهید. آیا باز مثل حالت قبل فشردن آن راحت است؟ آیا حالت ارتجاعی آن مانند قبل است؟

در این آزمایش آیا حجم گاز محفظه (در حین انجام آزمایش) تغییر می‏كند؟

درب ظرف نوشابه را به سرعت باز كنید؟، صدای پیستی می‏شنوید. علت به وجود آمدن صدا چیست؟

با توجّه به مطالب بالا می‏توان گفت تغییرات دمای یك گاز روی حجم و فشار گاز تأثیر می‏گذارد. حال به نظر شما آیا تغییر حجم یك گاز فقط با تغییر دما امكان پذیر است؟ به عبارتی آیا می‎‏توان حجم یك گاز را بدون گرم كردن یا سرد كردن تغییر داد؟

شاید بارها چنین تجربیاتی داده اید، به طور مثال:

هنگامی كه با تلمبه مشغول باد كردن تیوپ دوچرخه هستید حجم هوا كم می‌شود.

یا وقتی انتهای سرنگی را با انگشت یك دست گرفته و با دست دیگر قسمت متحرّك سرنگ را می‏فشارید در حقیقت حجم هوای محبوس را با افزایش فشار كاهش می‏دهید.

برای درك بهتر این موضوع به فیلم زیر توجّه كنید.

برای مشاهده فیلم کلیک کنید.

با توجّه به مطالب بالا می‏توان گفت كه با تغییر یكی از مشخصه‏های (فشار، حجم و دما) گاز دو مشخصه دیگر نیز تغییر می‏كنند مگر اینكه یكی از آنها را ثابت نگه داشته باشیم. بنابراین به سه نتیجه مهم دست یافتیم.

1- در حجم ثابت اگر دمای گاز را افزایش دهیم، فشار گاز هم افزایش می‏یابد و اگر دما را كاهش دهیم فشار نیز كاهش می‏یابد.

2 ـ در فشار ثابت، افزایش دما باعث افزایش حجم و كاهش دما باعث كاهش حجم گاز می‏شود.

3- در دمای ثابت می‏توان با افزایش فشار گاز حجم آنرا كم كرد و با كاهش فشار گاز، حجم آن را زیاد نمود.

حال به دنبال ارتباط كمی سه مشخصه گاز هستیم. به عبارتی می‏خواهیم رابطه بین فشار، حجم و دمای مقدار معینی از یك گاز را به دست آوریم.

البته نتیجه دو تا از آزمایش های بالا كفایت می‏كند.

پرسش:

چگونه می‏توان حجم یك بادكنك باد شده را كم كرد؟ آیا می‏توانیم آن را خیلی زیاد مچاله كنیم؟!

راهنمایی و حل:

برای یافتن پاسخ سؤال فوق به فیلم زیر توجّه كنید.

برای مشاهده فیلم کلیک کنید.

همان طور كه ملاحظه نمودید در آزمایش فوق، بر روی بادكنك نیتروژن مایع (با دمای فوق العاده كم) ریخته شده است و این امر باعث كاهش شدید حجم بادكنك گردید.

حال توجّه شما را به پدیده جالب دیگری جلب می‌كنیم. در فیلم زیر بادكنك مچاله و كم بادی (كه در دمای فوق العاده پایین قرار دارد) را در دمای محیط قرار می‌دهیم. به نظر شما چه اتفاقی می‌افتد؟

برای مشاهده فیلم کلیک کنید.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی

تنظیم: مریم فروزان کیا