قانون بويل هو مبدأ أساسي في الفيزياء يصف العلاقة بين ضغط وحجم الغاز عند درجة حرارة ثابتة. إنه أحد قوانين الغازات التي تساعدنا على فهم كيفية تصرف الغازات في ظل ظروف مختلفة.
ينص قانون بويل على أن ضغط كمية معينة من الغاز يتناسب عكسيا مع حجمه عندما تظل درجة الحرارة ثابتة. ومن الناحية الرياضية يمكن التعبير عن هذه العلاقة على النحو التالي:
\( P \propto \frac{1}{V} \)أو مكافئ:
\( P \cdot V = k \)أين:
تمت صياغة القانون لأول مرة من قبل الكيميائي والفيزيائي الأنجلو أيرلندي روبرت بويل في القرن السابع عشر. أجرى بويل تجاربه باستخدام أنبوب على شكل حرف J، تم إغلاقه من أحد طرفيه. قام بسكب الزئبق في الأنبوب من الطرف المفتوح، مما أدى إلى حبس كمية ثابتة من الهواء في الذراع القصيرة المغلقة. وبإضافة المزيد من الزئبق وبالتالي زيادة الضغط على الغاز، لاحظ بويل أن حجم الغاز انخفض. من خلال هذه التجارب، وجد بويل أن الضغط الذي يمارسه الغاز يتناسب عكسيا مع حجمه، بشرط أن تظل درجة الحرارة ثابتة.
قانون بويل له العديد من التطبيقات العملية في الحياة اليومية والمجالات العلمية المختلفة. وهنا بعض الأمثلة:
تجربة بسيطة لتوضيح قانون بويل تتضمن حقنة وقطعة مارشميلو. إن وضع المارشميلو داخل المحقنة وإغلاق فوهة المحقنة يسمح لك بتغيير الحجم داخل المحقنة عن طريق تحريك المكبس. وعندما يقل الحجم، يزداد الضغط داخلها، مما يضغط على المارشميلو. عندما يزداد الحجم، ينخفض الضغط، وتتوسع قطعة الخطمي. يوضح هذا العرض البصري العلاقة العكسية بين الضغط والحجم كما وصفها قانون بويل.
لاستكشاف قانون بويل رياضيًا، فكر في مثال يحتل فيه الغاز حجمًا \(2 \, \textrm{ل}\) تحت ضغط \(1 \, \textrm{ماكينة الصراف الآلي}\) . إذا انخفض الحجم إلى \(1 \, \textrm{ل}\) بينما ظلت درجة الحرارة ثابتة، فيمكننا حساب الضغط الجديد باستخدام قانون بويل. باستخدام المعادلة \( P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2 \) ، حيث \(P_1\) و \(V_1\) هما الضغط الأولي والحجم، و \(P_2\) و \(V_2\) هما الضغط النهائي والحجم على التوالي نجد:
\( P_2 = \frac{P_1 \cdot V_1}{V_2} \)استبدال القيم المعطاة:
\( P_2 = \frac{1 \, \textrm{ماكينة الصراف الآلي} \cdot 2 \, \textrm{ل}}{1 \, \textrm{ل}} = 2 \, \textrm{ماكينة الصراف الآلي} \)تشير هذه النتيجة إلى أن خفض حجم الغاز إلى النصف (مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة) يضاعف ضغطه.
يمكن أيضًا تصور قانون بويل بيانيًا. عند رسمها، تكون العلاقة بين الضغط وحجم الغاز عند درجة حرارة ثابتة عبارة عن قطع زائد. إذا تم رسم الضغط على المحور y والحجم على المحور x، فسوف ينزل المنحنى، مما يوضح أنه مع زيادة الحجم، ينخفض الضغط، والعكس صحيح.
وبالمثل، إذا رسمنا الحجم على المحور الصادي مقابل معكوس الضغط على المحور السيني، فإن النتيجة هي خط مستقيم، يوضح التناسب المباشر بين الحجم ومعكوس الضغط.
في حين أن قانون بويل هو مبدأ أساسي لفهم سلوك الغازات، فإنه يأتي مع بعض الافتراضات:
في تطبيقات العالم الحقيقي، قد لا تتصرف الغازات دائمًا بشكل مثالي، خاصة في ظل الظروف القاسية للضغط ودرجة الحرارة. ومع ذلك، يوفر قانون بويل تقديرًا تقريبيًا قيمًا لسلوك الغازات في العديد من المواقف العملية.
يعد قانون بويل حجر الزاوية في قوانين الغاز، حيث يقدم وصفًا واضحًا للعلاقة بين ضغط الغاز وحجمه في ظل ظروف درجة الحرارة الثابتة. إنه جزء لا يتجزأ من فهم سلوك الغازات والتنبؤ به في مجموعة متنوعة من التطبيقات العلمية والواقعية. من خلال المعادلات الرياضية والتمثيلات الرسومية والتجارب البسيطة، يمكننا استكشاف وتقدير أهمية قانون بويل في العالم المادي.
