قانون شارل

دستاوردهای عظیم (۳۰): قانون شارل درباره گاز ایده‌آل

برای بیشتر افراد، واژه‌ی “گاز ایده‌آل” تصویری از نوعی ابرسوخت تجدیدپذیر را تداعی می‌کند که هرگز هوا را آلوده نمی‌سازد! ولی متأسفانه، گاز ایده‌آل این معنی را نمی‌دهد. در واقعیت، گاز ایده‌آل نوعی گاز فرضی است که از مجموعه‌ای از ذرات نقطه‌ای با حرکات کاملاً تصادفی تشکیل شده که با یک‌دیگر نیز وارد برهم‌کنش نمی‌شوند. در شرایط نرمالی نظیر دما و فشار استاندارد، بسیاری از گازهای واقعی، مانند هوا، نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن، گازهای نجیب و تعدادی از گازهای سنگین‌تر مثل کربن دی‌اکسید، رفتاری مشابه گاز ایده آل دارند، بدین مفهوم که در حدود مجاز، می‌توان آن‌ها را به عنوان گاز ایده‌آل در نظر گرفت. فقط در شرایط دمایی بالا و فشارهای پایین است که گازهای یاد شده دیگر از این رویه پیروی نمی‌کنند. هر گاه چنین حالتی روی بدهد، قوانین آزمایشی مربوط به گازها، نظیر قانون شارل وارد صحنه می‌شود.


دستاورد: قانون شارل

تاریخ ثبت دستاورد: ۱۷۸۷

دستاورنده: ژاک شارل (Jacques Charles)


قانونی که در فیزیک آن را با عنوان قانون شارل (Charle’s Law) می‌شناسیم، بیان می‌کند که حجم یک گاز برابر با حاصل‌ضرب یک مقدار ثابت در دمای آن – به کلوین – است. صفر درجۀ کلوین برابر با منفی ۲۷۳/۱۵ درجۀ سلسیوس است.

این قانون اسم خود را از نام هوانورد پیش‌گام، ژاک شارل، گرفته است. وی در سال ۱۷۸۷ تعدادی آزمایش بر روی کیفیت وابستگی حجم گاز به دمای آن انجام داد. قسمت جالب ماجرا این است که شارل هیچ‌گاه نتایج مطالعات خود را منتشر نکرد. او حتی اولین، و یا آخرین کسی هم نبود که موفق به کشف چنین قانونی گردد. در حقیقت، گویلام امنتنس (Guillaume Amontons) حدود صد سال قبل از او، و ژوزف لویی گیلوساک (Joseph Gay-Lussac) نیز در سال ۱۸۰۸، اندازه‌گیری‌های دقیقی انجام داده و نتایج کار خود را بدین شرح منتشر نمودند که “تمام گازها از قانون مذکور می‌کنند”.


دستاوردهای عظیم (۱۰): قانون بویل درباره گاز ایده آل


شگفت‌انگیز است که تعداد زیادی از مواد مختلف رفتاری کاملاً مشابه را از خود نشان می‌دهد، هم‌چنان که بنا بر گزارش دانشمندان، شمار عدیده‌ای از گازها این‌چنین هستند. توجیه پذیرفته شده‌ای که جیمز کلرک ماکسول (James Clerk Maxwell) در سال ۱۸۶۰ از این پدیده ارائه نمود، این است که مقدار فضایی که یک گاز در محیط اشغال می‌کند تماماً وابسته به حرکت مولکول‌های آن گاز است.

در شرایط عادی، مولکول‌های گاز از یک‌دیگر فاصلۀ بسیار زیادی دارند. این مولکول‌ها به قدری کوچک هستند که می‌توان از حجم‌شان چشم‌پوشی نمود. مولکول‌های گاز در داخل سامانه‌هایی نظیر فلاسک، سیلندر و بالون در جهات مختلف و با سرعتی بالا بین سطوح احاطه‌کننده‌ی خود جهش کرده و جابه‌جا می‌شوند.

در داخل یک بالن هلیمی، در حدود ۱۰۲۴ میلیون میلیون میلیون میلیون (!) اتم هلیم با سرعت یک مایل در ثانیه به هر یک سانتی‌متر مربع از سطح داخلی بالن برخورد می‌کنند.

سرعت و فرکانس برخورد مولکول‌های گاز به دیوارۀ سامانه به دمای گاز وابسته است. به همین دلیل است که گاز در دمای بالاتر با قدرت بیش‌تری به سطوح برخورد می‌کنند (اعمال فشار بالا) و حجم بیش‌تری را نیز اشغال می‌‎نمایند (تعداد انگشت‌شماری از مولکول‌های سریع می‌توانند همان فضایی را اشغال کنند که تعداد زیادی از مولکول‌های ‌کم‌سرعت فرا می‌گیرند).

در صورتی که دمای یک سامانۀ گازی تحت فشار را – در مقیاس کلوین – دو برابر کنیم، تعداد برخوردها به اضای واحد سطح بر ثانیه و تکانۀ این برخوردها، هر دو، در حدود ۱/۴ برابر (ریشه دوم ۲) افزایش می‌یابد. بنابراین، در شرایطی که سامانه قابل اتساع نباشد، اثر نهایی به صورت افزایش دو برابری در فشار (دو تا ریشه دوم ۲ ضرب در هم) مشاهده خواهد شد. در صورتی که سامانه اتساع‌پذیر باشد، همین افزایش دو برابری را در حجم گاز خواهیم داشت.

بنابراین، می‌توانیم بگوییم که قانون شارل نحوه‌ی صعود بالون‌های سنگین به هوا، علت متوقف شدن جریان‌های همرفتی اتمسفر در پی وارونگی دمایی و هم‌چنین بسیاری از موارد دیگر را به خوبی توجیه می‌کند.