العالم شارل

هو العالم جاك شارل عالم فرنسي ومخترع، ولد في الثاني عشر من نوفمبر في منطقة بوجينسي سنة 1746م، وتوفي في السابع من إبريل سنة 1823م، وتزوج من جولي فرانسواز، وهو عالم رياضيات فرنسي، وفيزيائي، وانتخب في عام 1795م ليكون عضوًا في أكاديمية العلوم الفرنسية، وقد اهتم العالم شارل بالغازات كثيرًا؛ إذ يعد أول من استعمل غاز الهيدروجين في ملء المناطيد وقد اقترن اسمه بها وكان ذلك في عام 1783، وعلى إثر ذلك انطلق منطاد يحمل اسم (لي كلوب) وكان على متنه شارل وروبير والمركيز ارلاند وبيلا تردي روزيه من باريس وحط المنطاد في نسل لافاليه، ثم انطلق في رحلات أخرى بعد ذلك، واستطاع العالم أيضًا التوصل إلى القانون الذي يربط ما بين عاملي الضغط والحرارة والغازات بعد أن لاحظ تأثر الغازات بالحرارة والضغط، وكان ذلك في عام 1787، ويعرف هذا القانون باسم قانون شارل، وصيغ لاحقًا من قبل الفيزيائي والكيميائي لويس جوزيف غي لوساك في عام 1802م. ^[١][٢][٣]

قانون شارل

إن قانون شارل من أهم القوانين العلمية التي تتعلق بالغازات؛ إذ استطاع هذا القانون أن يوضح العلاقة بين الغازات والضغط والحرارة، ويقول القانون: عند ثبات الضغط فإن حجم كتلة محددة من غاز مثالي سيزداد أو ينقص بنفس المقدار، وذلك عند زيادة أو نقصان درجة حرارته المقيسة بوحدة الكلفن، وتفسيره أن حجم العيّنة يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة إذا كانت تحت ضغط ثابت، ويعبر عن قانون شارل رياضيًا بالعلاقة التالية: (ثابت = حجم الغاز/درجة الحرارة المطلقة (بوحدة كلفن)).^[٢][٤]

ومن التجارب التي اتبعت في دراسة قانون شارل، أن يوضع ماء بحرارة منخفضة في إناء معيّن، ثم يوضع بالون مملوء بالغاز في ماء بارد عندها يلاحظ انكماش في البالون، وهذا يفسر حسب قانون شارل أن حجم الغاز الذي ملأ البالون قل نتيجة لتقارب جزيئات الغاز عند هبوط درجة حرارته، ويلاحظ أيضًا أنه عند إبعاد البالون المملوء بالغاز عن الماء البارد فإنه يعود إلى حالته الأصليه نتيجة لعودة الحرارة إلى وضعها الطبيعي.^[٢]

وتتمثل العلاقة البيانية لقانون شارل برسم خط مستقيم (v1) على المحور الصادي، و(t) على المحور السيني، وبهذا فإن حجم كميّة ثابتة من الغاز عندما يكون الضغط ثابتًا يزداد خطيًا مع ازدياد درجة الحرارة؛ إذ تقع النقط على خط مستقيم، وبهذا توضح أن الحجم يتغيّر خطيًا مع درجة الحرارة، وإن خفّضت الحرارة بمقدار كاف فإن الغاز سيتكثف ولن نحصل على أي نقط تجريبية، وإذا مد الخط المستقيم نحو درجات حرارة أقل فإنه يصل للصفر؛ أي أن درجة الحرارة تكون -273.15م عندما يكون الحجم صفرًا بصرف النظر عن الغاز المستعمل أو الضغط الذي تجرى التجربة عنده، ويشار إلى (-273) بالصفر المطلق؛ لأن درجات الحرارة الأقل من ذلك سوف ترادف حجمًا سالبًا، وتيمنًا بالعالم كلفن الذي اقترح هذه العلاقة؛ فقد سمّيت وحدة قياس الحرارة المطلقة بالكلفن.^[٥]

اشتقاق قانون شارل رياضيًا

يمكن أن يعبّر رياضيًا عن قانون شارل بما يأتي^[٦]:

• درجة حرارة الغاز المطلقة تتناسب طرديًا مع حجمه: ط ∝ ح
• وبتحويل التناسب إلى: ح = ثابت × ط
• وعند ترتيب العلاقة السابقة تصبح: ح/ط = ثابت
• وعندما يكون هناك حالتان مختلفتان للغاز نفسه عند درجة الحرارة ذاتها يكون القانون: ح₁/ط₁= ثابت .... (1)، ح₂/ط₂= ثابت .... (2)
• وعند مساواة الحدين من العلاقتين السابقتين نحصل على قانون شارل: ح₁/ط₁ = ح₂/ط₂
• وعند تطبيق قانون الغازات يجب أن تحوّل درجة الحرارة المئوية إلى درجة مطلقة من خلال: درجة الحرارة المطلقة = 273 + الدرجة المئوية، والدرجة المطلقة تقاس بوحدة كلفن، وفيما يأتي بعض الأمثلة التطبيقية على قانون شارل:

• مثال (1) كتلة من غاز الكلو تشغل حجمًا قدره 60 سم³ عند درجة حرارة 27 س، احسب الحجم عندما تزداد درجة حرارتها بمقدار20 س، مع مراعاة بقاء الضغط ثابتًا.
  • الحل:
    • ط₁ = 273 + 27 = 300 كلفن.
    • ط₂ = 20 + 300 = 320 كلفن.
    • ح₁ = 60 سم³
    • ح₂ = ؟؟
    • ح₁/ط₁ = ح₂/ط₂
    • 60 / 300 = ح₂ / 320
    • ح₂ = 64 سم³
• مثال (2): مقدار من الغاز يشغل حيّزًا بمقدار 5 لتر، بدرجة 27 س، احسب درجة الحرارة بوحدة سيليسيوس التي يتضاعف عندها حجم الغاز وعند ثبوت الضغط.
  • الحل:
    • ط₁ = 27 + 273 = 300 كلفن.
    • ط₂ = ؟؟
    • ح₁ = 5 لتر.
    • ح₂ = 10 لتر.
    • ح₁ / ط₁ = ح₂ / ط₂
    • 5 / 300 = 10 / ط₂
    • ط₂ = 600 كلفن.
    • وتحوّل درجة الحرارة من مطلقة إلى سيليسيوس كما يأتي:
    • درجة الحرارة = 600 - 273 = 327 س.

المراجع

1. ↑ "جاك شارل"، marefa، اطّلع عليه بتاريخ 12-8-2019. بتصرّف.
2. ^ ^{أ ب ت} "قانون شارل"، wiki.kololk، اطّلع عليه بتاريخ 12-8-2019. بتصرّف.
3. ↑ " شارل ، جاك الكسندر سيزار "، almerja، اطّلع عليه بتاريخ 12-8-2019. بتصرّف.
4. ↑ "قانون شارل"، dictionnaire، اطّلع عليه بتاريخ 12-8-2019. بتصرّف.
5. ↑ "قانون شارل من الاكتشاف حتى الصيغة النهائية"، learnchemistry12، اطّلع عليه بتاريخ 13-8-2019. بتصرّف.
6. ↑ "قانون شارل"، minhaji، اطّلع عليه بتاريخ 13-8-2019. بتصرّف.