قانون شارل للغازات: العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة

قانون شارل: فهم العلاقة بين حجم الغاز ودرجة حرارته

يُعد قانون شارل (المعروف أيضاً بقانون الأحجام) أحد القوانين التجريبية الأساسية في علم الغازات، وهو يصف كيف تميل الغازات إلى التمدد عند تسخينها. وبشكل مبسط، يوضح هذا القانون العلاقة الطردية بين حجم الغاز ودرجة حرارته عندما يظل الضغط ثابتاً.

نص قانون شارل

ينص قانون شارل على أنه: عندما يتم الحفاظ على الضغط على عينة من غاز جاف ثابتاً، فإن درجة الحرارة (بمقياس كلفن) والحجم يكونان في تناسب طردي.

يمكن التعبير عن هذه العلاقة رياضياً كما يلي:

وهذا يعني أن:

حيث أن:

• V: هو حجم الغاز.
• T: هي درجة حرارة الغاز (يجب قياسها بوحدة الكلفن).
• k: هو ثابت يتحدد بناءً على الضغط وكمية الغاز.

يصف هذا القانون كيف يتمدد الغاز مع زيادة درجة الحرارة؛ وبالمقابل، فإن انخفاض درجة الحرارة يؤدي إلى انخفاض الحجم. ولمقارنة نفس المادة تحت مجموعتين مختلفتين من الظروف، يمكن كتابة القانون على النحو التالي:

تاريخ اكتشاف القانون

سُمي القانون باسم العالم جاك شارل، الذي صاغ القانون الأصلي في أعماله غير المنشورة في ثمانينيات القرن الثامن عشر. ومع ذلك، ساهم علماء آخرون في إثباته تجريبياً، مثل جون دالتون وجوزيف لويس غاي-لوساك.

أثبت دالتون تجريبياً أن جميع الغازات والأبخرة التي درسها تتمدد بنفس المقدار بين نقطتين ثابتتين من درجة الحرارة. وأكد غاي-لوساك هذا الاكتشاف في عام 1802، منسوباً الفضل في ذلك إلى أعمال جاك شارل. كانت المبادئ الأساسية قد وُصفت بالفعل من قبل غيوم أمونتونس وفرانسيس هوكسبي قبل قرن من ذلك.

كان دالتون أول من أثبت أن القانون ينطبق بشكل عام على جميع الغازات، وأيضاً على أبخرة السوائل المتطايرة إذا كانت درجة الحرارة أعلى بكثير من نقطة الغليان.

العلاقة بالصفر المطلق

يشير قانون شارل ظاهرياً إلى أن حجم الغاز سينخفض إلى الصفر عند درجة حرارة معينة (حوالي -273.15 درجة مئوية). هذه النقطة تُعرف بـ الصفر المطلق. ومع ذلك، أوضح غاي-لوساك أن هذا القانون لا ينطبق عند درجات الحرارة المنخفضة جداً، لأن الغازات قد تتحول إلى حالة سائلة أو صلبة قبل أن تصل إلى تلك الدرجة، مما يخرجها عن الحالة الغازية المرنة.