قانون بويل

قانون بويل ، المعروف أيضاً بقانون بويل-ماريوت أو قانون ماريوت (خاصة في فرنسا)، هو قانون تجريبي للغازات يصف العلاقة بين ضغط وحجم الغاز المحصور . وقد تم صياغة قانون بويل على النحو التالي :

يتناسب الضغط المطلق الذي تمارسه كتلة معينة من غاز مثالي عكسياً مع الحجم الذي يشغله إذا ظلت درجة الحرارة وكمية الغاز ثابتة داخل نظام مغلق . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

رياضياً، يمكن صياغة قانون بويل على النحو التالي:

${\displaystyle P\propto {\frac {1}{V}}}$

يتناسب الضغط عكسياً مع الحجم

أو

حيث P هو ضغط الغاز، و V هو حجم الغاز، و k هو ثابت لدرجة حرارة وكمية معينة من الغاز.

ينص قانون بويل على أنه عندما تكون درجة حرارة كتلة معينة من الغاز المحصور ثابتة، فإن حاصل ضرب ضغطه في حجمه يكون ثابتًا أيضًا. عند مقارنة المادة نفسها في ظل مجموعتين مختلفتين من الظروف، يمكن التعبير عن القانون كما يلي:$${\displaystyle P_{1}V_{1}=P_{2}V_{2}.}$$مما يدل على أنه مع زيادة الحجم، ينخفض ​​ضغط الغاز بشكل متناسب، والعكس صحيح.

سُمي قانون بويل على اسم روبرت بويل ، الذي نشر القانون الأصلي في عام 1662. ^{[ 3 ]} وهناك قانون مكافئ هو قانون ماريوت، الذي سُمي على اسم الفيزيائي الفرنسي إدمي ماريوت .

لاحظ ريتشارد تاونلي وهنري باور لأول مرة العلاقة بين الضغط والحجم في القرن السابع عشر. ^{[ 5 ] [ 6 ]} أكد روبرت بويل اكتشافهما من خلال التجارب ونشر النتائج. ^{[ 7 ]} ووفقًا لروبرت غونتر وغيره من الباحثين، فإن مساعد بويل، روبرت هوك ، هو من بنى الجهاز التجريبي. يستند قانون بويل إلى تجارب أجراها على الهواء ، الذي اعتبره سائلًا من جزيئات ساكنة بين نوابض صغيرة غير مرئية. ربما بدأ بويل تجاربه على الغازات بدافع اهتمامه بالهواء كعنصر أساسي للحياة؛ ^{[ 8 ]} فعلى سبيل المثال، نشر أعمالًا عن نمو النباتات في غياب الهواء. ^{[ 9 ]} استخدم بويل أنبوبًا مغلقًا على شكل حرف J، وبعد سكب الزئبق من أحد طرفيه، أجبر الهواء على الطرف الآخر على الانكماش تحت ضغط الزئبق. بعد تكرار التجربة عدة مرات وباستخدام كميات مختلفة من الزئبق، وجد أنه في ظل ظروف مضبوطة، يتناسب ضغط الغاز عكسيًا مع الحجم الذي يشغله. ^{[ 10 ]}

اكتشف الفيزيائي الفرنسي إدمي ماريوت (1620-1684) القانون نفسه بشكل مستقل عن بويل عام 1679، ^{[ 11 ]} بعد أن نشره بويل عام 1662. ^{[ 10 ]} إلا أن ماريوت اكتشف أن حجم الهواء يتغير بتغير درجة الحرارة. ^{[ 12 ]} ولذلك يُشار إلى هذا القانون أحيانًا بقانون ماريوت أو قانون بويل-ماريوت. لاحقًا، في عام 1687، في كتابه "الأصول الرياضية للفلسفة الطبيعية" ، بيّن نيوتن رياضيًا أنه في سائل مرن يتكون من جسيمات ساكنة، تتجاذب بينها قوى تنافر تتناسب عكسيًا مع المسافة بينها، فإن الكثافة تتناسب طرديًا مع الضغط، ^{[ 13 ]} لكن هذه الدراسة الرياضية لا تتضمن أي اعتماد على درجة الحرارة وفقًا لقانون ماريوت، ولا تُعدّ التفسير الفيزيائي الصحيح للعلاقة المرصودة. بدلاً من النظرية الساكنة، هناك حاجة إلى نظرية حركية ، والتي تم تطويرها على مدى القرنين التاليين بواسطة دانيال برنولي (1738) وبشكل أكثر اكتمالاً بواسطة رودولف كلاوزيوس (1857) وماكسويل وبولتزمان .

كان هذا القانون أول قانون فيزيائي يُعبَّر عنه في شكل معادلة تصف اعتماد كميتين متغيرتين. ^{[ 10 ]}

يمكن صياغة القانون نفسه على النحو التالي:

بالنسبة لكتلة ثابتة من غاز مثالي محفوظة عند درجة حرارة ثابتة، فإن الضغط والحجم يتناسبان عكسياً. ^{[ 2 ]}

ينص قانون بويل، وهو أحد قوانين الغازات ، على أن ضغط الغاز وحجمه يتناسبان عكسياً. فإذا زاد الحجم، انخفض الضغط، والعكس صحيح، عند ثبات درجة الحرارة.

لذلك، عندما ينخفض ​​الحجم إلى النصف، يتضاعف الضغط؛ وإذا تضاعف الحجم، ينخفض ​​الضغط إلى النصف.

معادلة

المعادلة الرياضية لقانون بويل هي:$${\displaystyle PV=k}$$حيث يرمز P إلى ضغط النظام، و V إلى حجم الغاز، و k قيمة ثابتة تمثل درجة حرارة النظام وكمية الغاز .

طالما بقيت درجة الحرارة ثابتة، فإن كمية الطاقة المُعطاة للنظام تبقى ثابتة طوال فترة تشغيله، وبالتالي، نظريًا، ستبقى قيمة k ثابتة. مع ذلك، ونظرًا لاشتقاق الضغط كقوة عمودية مُطبقة، واحتمالية التصادمات مع الجسيمات الأخرى وفقًا لنظرية التصادم ، فإن تطبيق القوة على سطح ما قد لا يكون ثابتًا إلى ما لا نهاية لقيم V هذه ، بل سيكون له حد عند اشتقاق هذه القيم على مدى فترة زمنية معينة. عند زيادة حجم V لكمية ثابتة من الغاز، مع الحفاظ على الغاز عند درجة الحرارة المقاسة في البداية، يجب أن ينخفض ​​الضغط P تناسبيًا. وعلى العكس، يؤدي تقليل حجم الغاز إلى زيادة الضغط. يُستخدم قانون بويل للتنبؤ بنتيجة إدخال تغيير، في الحجم والضغط فقط، على الحالة الابتدائية لكمية ثابتة من الغاز.

ترتبط الأحجام والضغوط الأولية والنهائية لكمية ثابتة من الغاز، حيث تكون درجات الحرارة الأولية والنهائية متساوية (سيكون التسخين أو التبريد مطلوبًا لتحقيق هذا الشرط)، بالمعادلة التالية:$${\displaystyle P_{1}V_{1}=P_{2}V_{2}.}$$هنا يمثل P ₁ و V ₁ الضغط والحجم الأصليين على التوالي، ويمثل P ₂ و V ₂ الضغط والحجم الثانيين.

تشكل قوانين بويل، وشارل ، وغاي-لوساك قانون الغازات الموحد . ويمكن تعميم هذه القوانين الثلاثة، بالإضافة إلى قانون أفوجادرو، بقانون الغاز المثالي .

يُستخدم قانون بويل غالبًا كجزء من شرح كيفية عمل الجهاز التنفسي في جسم الإنسان. ويتضمن هذا عادةً شرح كيفية زيادة أو نقصان حجم الرئتين، مما يؤدي إلى انخفاض أو ارتفاع ضغط الهواء داخلهما (وفقًا لقانون بويل). وينتج عن ذلك فرق في الضغط بين الهواء داخل الرئتين وضغط الهواء المحيط، مما يُحفز بدوره عملية الشهيق أو الزفير مع انتقال الهواء من منطقة الضغط العالي إلى منطقة الضغط المنخفض. ^{[ 16 ]}

الظواهر ذات الصلة:

• سارق الماء
• الثورة الصناعية
• محرك بخاري

قوانين الغاز الأخرى :

• قانون دالتون – القانون التجريبي للضغوط الجزئية 
• قانون شارل – العلاقة بين حجم ودرجة حرارة الغاز عند ضغط ثابت 
• قانون الغاز المثالي – معادلة حالة غاز مثالي افتراضي 

• الوسائط المتعلقة بقانون بويل على ويكيميديا ​​كومنز