إلى الداخل وإلى الخارج: إثبات قانون بويل بالتجربة العملية

المفاهيم الأساسية

علم الفيزياء

الغاز

الضغط

الحجم

قانون بويل

مقدمة

الأرجح أنه قد سبق لك أن فتحت عبوة مياه غازية وشاهدت السائل الفوَّار وهو يندفع خارج العبوة، مُحدِثًا فوضى هائلة. لماذا يحدث ذلك؟ إن الأمر له علاقة بغاز ثاني أكسيد الكربون الذي يُضاف إلى السائل كي يجعله فوَّارًا. وفتح العبوة يُحرِّر الضغط المُحتجَز بداخلها، مُسببًا اندفاع خليط السائل والغاز منها. وفي هذا النشاط سوف تُبين -بمساعدة بالون مملوء بالهواء وآخر مملوء بالماء- كيف يتغير حجم الغاز اعتمادًا على ضغطه.

معلومات أساسية

يعود الاختلاف بين المواد الصلبة والسائلة والغازية إلى سلوك الجسيمات (الجزيئات أو الذرات) داخلها. فالجسيمات في المواد الصلبة عادةً ما تكون مضغوطةً معًا بإحكام في نمط منتظم. ورغم أن جسيمات السائل تكون متقاربة هي الأخرى، فإنها قادرة على التحرك بحرية. وخلافًا لذلك، تكون جسيمات الغاز منتشرةً على نطاق واسع وتشغل مساحة كبيرة. وهي تواصل الانتشار لتشغل أي مساحة متاحة. ويعني هذا أن حجم الغاز لا يكون ثابتًا، وذلك على العكس من المواد السائلة والصلبة. وقد اكتشف روبرت بويل -الكيميائي والفيزيائي الذي عاش في القرن السابع عشر- أن حجم الغاز -وهو مقدار المساحة التي يشغلها- مرتبط بضغطه، والعكس بالعكس. فقد وجد أنك إذا ضغطت الغاز، فسينكمش حجمه. وإذا قلَّلت ضغط الغاز، فسيزداد حجمه.

يمكنك ملاحظة أحد تطبيقات الحياة العملية لقانون بويل عندما تملأ إطارات دراجتك بالهواء. فعندما تضخ الهواء في الإطار، ستنضغط جزيئات الغاز الموجودة داخل الإطار وتحتشد معًا مقتربة بعضها من بعض. يؤدي هذا إلى زيادة ضغط الغاز، ويبدأ في الضغط على جدران الإطار. ويمكنك أن تتحسس الإطار وقد صار مضغوطًا ومشدودًا. مثال آخر هو عبوة المياه الغازية. فلإدخال غاز ثاني أكسيد الكربون في السائل، عادةً ما تُضغَط العبوة بأكملها بالغاز. وما دامت العبوة مغلقة، يصعب للغاية الضغط عليها من الخارج؛ لأن الغاز يكون محتجزًا داخل مساحة صغيرة ويضغط على جدران العبوة. لكن عند فتح الغطاء، يزداد الحجم المتاح، ويفلت بعض الغاز، وفي الوقت ذاته يقل ضغطه.

ومن الأمثلة المهمة التي تُسلط الضوء على قانون بويل عملية التنفس لدينا. فعملية الشهيق والزفير تعني بالأساس زيادة وتقليل حجم التجويف الصدري. وهذا يُسبب ضغطًا منخفضًا وضغطًا مرتفعًا داخل الرئة، مما يؤدي إلى سحب الهواء إلى داخل الرئة أو خروجه منها. وفي هذا النشاط، ستُبرهن بنفسك على صحة قانون بويل.

المواد المستخدمة

• ما لا يقل عن بالونين صغيرين، مثل بالونات المياه.
• محقن بلاستيكي كبير (يبلغ حجمه نحو 60 مليلترًا)، مثل محاقن إعطاء الأدوية للأطفال عن طريق الفم (متاحة في معظم الصيدليات). تأكد من أن المحقن محكم الغلق وليس فيه إبرة.
• مقص.
• ماء.

التحضير

• استخدم المحقن في ملء أحد البالونين بكمية قليلة من الهواء، بحيث يظل من الممكن إدخال البالون في المحقن. اربط البالون واقطع أي أجزاء زائدة بعد العقدة.
• املأ المحقن بالماء.
• استخدم المحقن في ملء البالون الثاني ببعض الماء، بحيث يكون في نفس حجم البالون المملوء بالهواء. اربط فتحته بعقدة، واقطع أي أجزاء زائدة بعد العقدة.
• أزِل المكبس من المحقن بحيث يكون مفتوحًا من الطرف الأكبر.

الطريقة

• أدخل البالون المملوء بالهواء في بداية الفتحة الكبيرة الموجودة في مؤخرة المحقن. أدخل المكبس في المحقن، وحاول أن تدفع البالون نحو طرف المحقن. إلى أي درجة يصعُب دفع المكبس للداخل؟ ماذا يحدث للهواء داخل المحقن؟
• اسحب المكبس مجددًا، وحرك البالون بحيث يصل إلى منتصف المحقن. بعد ذلك أغلق الفتحة الأمامية للمحقن (الطرف) بأصبعك، وادفع المكبس إلى داخل المحقن مجددًا. ما الذي تلاحظه؟ كيف يبدو البالون أو كيف يتغير شكله عندما تدفع المكبس إلى الداخل؟
• ارفع أصبعك عن طرف المحقن. وأدخل البالون عند طرف المحقن وادفع المكبس إلى داخل المحقن إلى أن يلامس البالون. بعد ذلك أغلق فتحة المحقن بأصبعك واسحب المكبس إلى الخلف بأقصى قدر ممكن. هل يتغير شكل البالون؟ إذا كانت الإجابة نعم، فكيف يتغير؟ هل يمكنك تفسير ما يحدث؟
• ضع البالون المملوء بالماء محل البالون المملوء بالهواء داخل المحقن. بعد ذلك أدخل المكبس في المحقن. أغلق طرف المحقن بأصبعك، وادفع المكبس إلى داخل المحقن بأقصى قدرٍ ممكن. كيف يتغير شكل البالون هذه المرة؟
• ارفع أصبعك عن طرف المحقن، وادفع المكبس إلى داخل المحقن بالكامل إلى أن يُلامس البالون عند طرف المحقن. بعد ذلك أغلق طرف المحقن مجددًا بأصبعك، وحاول أن تسحب المكبس بأقصى قدر ممكن. ماذا يحدث للبالون المملوء بالماء؟ هل يسلك سلوكًا مختلفًا عن البالون المملوء بالهواء؟ إذا كانت الإجابة نعم، فكيف؟ ولماذا؟
• نشاط إضافي: استخدم الطريقة نفسها لكن أضف هذه المرة ماءً داخل المحقن إلى جانب البالون المملوء بالهواء والبالون المملوء بالماء. بعد ذلك أغلق طرف المحقن وحاول أن تدفع المكبس إلى داخل المحقن وأن تسحبه مجددًا. ما الذي يحدث هذه المرة؟ كيف يؤدي وجود الماء داخل المحقن إلى حدوث اختلاف؟

المشاهدات والنتائج

هل رأيت الهواء الموجود داخل البالون المملوء بالهواء وهو ينكمش ويتمدد؟ من دون غلق طرف المحقن بأصبعك يكون من السهل عليك أن تدفع المكبس. فبإمكان الهواء الإفلات عبر فتحة طرف المحقن. لكن حين تغلق المحقن بأصبعك يصبح الهواء عاجزًا عن الإفلات. وإذا ضغطت المكبس فإنك بذلك تزيد من ضغط الهواء وبالتالي ينكمش الهواء داخل البالون أو يقل حجمه. لا بد أنك رأيت البالون المملوء بالهواء وهو ينكمش ويصغر في الحجم. ويحدث العكس عندما تغلق فتحة المحقن وتسحب المكبس إلى الخارج. ففي هذه الحالة أنت تقلل ضغط الهواء الموجود داخل المحقن، ومن ثمَّ يزداد حجمه. ونتيجةً لذلك فإن البالون المملوء بالهواء يتمدد ويزداد حجمه: وهو إثبات مثالي لقانون بويل!

تبدو النتيجة مختلفةً في حالة البالون المملوء بالماء. فرغم أنك تضغط الهواء الموجود داخل المحقن عند الضغط على المكبس، فإن الماء داخل البالون لا ينضغط. ويظل حجم البالون كما هو. كما يحتفظ بالون الماء بشكله عند سحب المكبس إلى الخارج مع إغلاق طرف المحقن. فعلى العكس من الغازات، فإن السوائل غير قابلة للضغط؛ لأن جسيماتها قريبة فعليًّا بعضها من بعض. فقانون بويل ينطبق على الغازات فحسب.

عند ملئك المحقن بالماء كذلك، سترى البالون المملوء بالهواء وهو ينكمش عند دفع المكبس داخل المحقن. أيضًا سيتمدد البالون المملوء بالهواء عند سحب المكبس إلى الخارج مع إغلاق طرف المحقن. ومع ذلك ربما تكون قد لاحظت أنك لم تكن قادرًا على دفع المكبس أو سحبه بالمقدار نفسه الذي استطعته في حالة المحقن المملوء بالهواء. سبب هذا هو حقيقة أن السوائل لا يمكنها الانضغاط مثل الغازات. ولا بد أنك قد لاحظت أيضًا أنك عند محاولة دفع المكبس أو سحبه في المحقن المملوء بالماء في حالة البالون المملوء بالماء. كان من المستحيل على الأرجح تحريك المكبس إلى الداخل وإلى الخارج!