كيف يؤثر انخفاض درجة الحرارة على ضغط الغاز المحتوي؟

على عكس الجزيئات الموجودة في سائل أو صلب ، يمكن لتلك الموجودة في الغاز أن تتحرك بحرية في المساحة التي تحصرها فيها. إنها تطير حولها ، وأحيانًا تصطدم ببعضها البعض ومع جدران الحاوية. يعتمد الضغط الجماعي الذي يمارسونه على جدران الحاوية على كمية الطاقة التي لديهم. إنهم يستمدون الطاقة من الحرارة في محيطهم ، لذلك إذا ارتفعت درجة الحرارة ، يرتفع الضغط أيضًا. في الواقع ، الكميتان مرتبطتان بقانون الغاز المثالي.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

في حاوية صلبة ، يختلف الضغط الذي يمارسه الغاز بشكل مباشر مع درجة الحرارة. إذا لم تكن الحاوية صلبة ، يختلف الحجم والضغط حسب درجة الحرارة وفقًا لقانون الغاز المثالي.

تم اشتقاق قانون الغاز المثالي على مدى سنوات من خلال العمل التجريبي لعدد من الأفراد ، وهو يتبع قانون بويل وقانون تشارلز وجاي-لوساك. ينص الأول على أنه عند درجة حرارة معينة (T) ، يكون الضغط (P) للغاز مضروبًا في الحجم (V) الذي يشغله ثابتًا. يخبرنا الأخير أنه عندما تكون كتلة الغاز (ن) ثابتة ، فإن الحجم يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة. ينص قانون الغاز المثالي في شكله النهائي على ما يلي:

حيث R ثابت يسمى ثابت الغاز المثالي.

إذا حافظت على ثبات كتلة الغاز وحجم الحاوية ، فإن هذه العلاقة تخبرك أن الضغط يختلف بشكل مباشر مع درجة الحرارة. إذا كنت سترسم قيمًا مختلفة لدرجة الحرارة والضغط ، فسيكون الرسم البياني خطًا مستقيمًا بميل موجب.

الغاز المثالي هو الغاز الذي يُفترض أن تكون الجزيئات فيه مرنة تمامًا ولا تجذب أو تتنافر. علاوة على ذلك ، من المفترض أن جزيئات الغاز نفسها ليس لها حجم. في حين أنه لا يوجد غاز حقيقي يفي بهذه الشروط ، يقترب الكثيرون بما يكفي لتمكين تطبيق هذه العلاقة. ومع ذلك ، يجب أن تأخذ في الاعتبار عوامل العالم الحقيقي عندما يصبح ضغط الغاز أو كتلته مرتفعًا جدًا ، أو عندما يصبح الحجم ودرجة الحرارة منخفضين جدًا. بالنسبة لمعظم التطبيقات في درجة حرارة الغرفة ، يوفر قانون الغاز المثالي تقريبًا جيدًا بدرجة كافية لسلوك معظم الغازات.

طالما أن حجم الغاز وكتلته ثابتان ، فإن العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة تصبح:

حيث K هو ثابت مشتق من الحجم وعدد مولات الغاز وثابت الغاز المثالي. إذا وضعت غازًا يفي بظروف الغاز المثالية في حاوية ذات جدران صلبة بحيث لا يتغير الحجم ، قم بإغلاق الحاوية وقياس الضغط على جدران الحاوية ، سترى أنها تنخفض كلما خفضت درجة الحرارة. نظرًا لأن هذه العلاقة خطية ، فأنت تحتاج فقط إلى قراءتين لدرجة الحرارة والضغط لرسم خط يمكنك من خلاله استقراء ضغط الغاز عند أي درجة حرارة معينة.

تنهار هذه العلاقة الخطية عند درجات حرارة منخفضة جدًا عندما تكون المرونة غير الكاملة للغاز تصبح الجزيئات مهمة بما يكفي للتأثير على النتائج ، لكن الضغط سيظل ينخفض ​​كلما خفضت درجة الحرارة. ستكون العلاقة أيضًا غير خطية إذا كانت جزيئات الغاز كبيرة بما يكفي لمنع تصنيف الغاز على أنه مثالي.