Product Design, Manufacturing & Innovation Resources

بيت » قانون الغاز المثالي (الشكل المولي)

قانون الغاز المثالي (الشكل المولي)

1850

Benoît Paul Émile Clapeyron

(صورة تم إنشاؤها للتوضيح فقط)

قانون الغازات المثالية هو معادلة الحالة لغاز مثالي افتراضي، وهو يقترب من سلوك العديد من الغازات في ظروف مختلفة. ترتبط الصورة المولارية ضغط ([latex]PTP[/latex])، والحجم ([latex]V[/latex])، وكمية المادة بالمول ([latex]N[/latex])، ودرجة الحرارة المطلقة ([latex]T[/latex]) عبر ثابت الغاز العام ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT1T[/latex].

The ideal gas law, expressed as [latex]PV = nRT[/latex], is a cornerstone of thermodynamics and physical chemistry. It was first stated by Benoît Paul Émile Clapeyron in 1834 as a combination of the empirical laws of Boyle, Charles, Gay-Lussac, and Avogadro. This equation of state provides a remarkably accurate approximation for the behavior of many gases under conditions of moderate temperature and low pressure. In the equation, [latex]P[/latex] represents the absolute pressure, [latex]V[/latex] is the volume, [latex]n[/latex] is the number of moles of the gas, and [latex]T[/latex] is the absolute temperature in Kelvin.

يُعرَف ثابت التناسب، [latex]R[/latex]، باسم ثابت الغاز العام. وقيمته هي نفسها لجميع الغازات وتبلغ حوالي 8.314 جول/(مول-ك). تكمن قوة القانون في قدرته على ربط متغيرات الحالة العيانية الأربعة للغاز في صيغة واحدة بسيطة. وهذا يسمح بحساب أي متغير واحد إذا كانت المتغيرات الثلاثة الأخرى معروفة. تنبع الطبيعة “المثالية” للغاز التي يصفها هذا القانون من افتراضين رئيسيين: جسيمات الغاز نفسها ذات حجم مهمل، ولا توجد قوى تجاذب أو تنافر بين الجزيئات بينها. في حين أنه لا يوجد غاز حقيقي مثالي حقًا، فإن العديد من الغازات الشائعة مثل النيتروجين والأكسجين والأرجون تتصرف بشكل مثالي تقريبًا في الظروف القياسية، مما يجعل القانون مفيدًا للغاية في التطبيقات العملية.

كيمياء, الهندسة البيئية, الغاز, الهندسة الميكانيكية, عملية, تطوير المنتجات, إدارة الجودة, الطاقة المتجددة, الديناميكا الحرارية

UNESCO Nomenclature: 2210

- الديناميكا الحرارية

يكتب

النظام التجريدي

الاضطراب

التأسيسية

الاستخدام

الاستخدام الواسع النطاق

السلائف

قانون بويل (1662)
قانون تشارلز (1787)
قانون جاي-لوساك (1802)
قانون أفوجادرو (1811)
نظرية دالتون الذرية
مفهوم درجة الحرارة المطلقة (كلفن)

التطبيقات

تصميم عملية الهندسة الكيميائية
الأرصاد الجوية والتنبؤ بالطقس
حساب كثافة الغاز والكتلة المولية
تحليل الدورة الديناميكية الحرارية (على سبيل المثال، دورة كارنو)
حسابات خليط الغاز للغوص

براءات الاختراع:

أفكار ابتكارات محتملة

بسبب عمليات جمع البيانات من خلال برامج الروبوت، والتي تتجاوز حاليًا 40 ألفًا يوميًا، فإن هذا المحتوى مخصص لأعضاء المجتمع فقط.
> تسجيل الدخول < أو > سجل < (مجاني 100٪) للوصول إلى هذا، وكذلك جميع المحتويات والأدوات الأخرى المقيدة.

ذات صلة ب: الغاز المثالي، معادلة الحالة، الضغط، الحجم، درجة الحرارة، المول، ثابت الغاز، الديناميكا الحرارية، الكلابيون، الكيمياء الفيزيائية.

السياق التاريخي

إعداد مختبري لقياس لزوجة السوائل عند درجات حرارة متفاوتة في الديناميكا الحرارية.

اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة

في السوائل النيوتونية، اللزوجة دالة لدرجة الحرارة والضغط، وليست معدل القص. في السوائل، تنخفض اللزوجة بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، لأن الطاقة الحرارية العالية تُمكّن الجزيئات من التغلب على قوى التماسك بين الجزيئات بسهولة أكبر. على العكس، في الغازات، تزداد اللزوجة مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث تؤدي زيادة تصادمات الجزيئات بسرعات أعلى إلى زيادة انتقال الزخم.

تجربة معملية توضّح القانون الأول للديناميكا الحرارية باستخدام إعداد محرك حراري.

First Law of Thermodynamics

القانون الأول هو بيان لحفظ الطاقة. ويفترض أن التغير في الطاقة الداخلية لنظام مغلق ([latex]\Delta U[/latex]) يساوي الحرارة التي يزود بها النظام ([latex]Q[/latex]) ناقص الشغل الذي يبذله النظام على محيطه ([latex]W[/latex]). والمعادلة الحاكمة هي [latex]T\Delta U = Q - W[/latex]. ويربط هذا القانون بين الحرارة والشغل والطاقة الداخلية، ويثبت أن الحرارة شكل من أشكال انتقال الطاقة.

كيميائي يجري تجارب على المواد الحفازة في مختبر قديم، 1850.

المحفز على التوازن الكيميائي

يزيد المحفز من معدل التفاعلات الأمامية والعكسية بالتساوي من خلال توفير مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل. وبينما يسمح المحفز للنظام بالوصول إلى حالة التوازن بشكل أسرع، فإنه لا يغير موضع التوازن نفسه. وتظل تركيزات المتفاعلات والنواتج عند التوازن، وقيمة ثابت التوازن K، ثابتة.

قانون الغاز المثالي (الشكل المولي)

جهاز مختبري لقياس ضغط البخار ودرجة الحرارة في الديناميكا الحرارية.

علاقة كلاوسيوس-كلابيرون

تصف علاقة كلاوزيوس-كلاوس-كلابيرون العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة لمادة ما في مرحلة انتقالية، مثل السائل والبخار. بالنسبة إلى بخار الماء، توضح هذه العلاقة أن ضغط بخار التشبع يزداد أسيًا مع درجة الحرارة. والصيغة التقريبية هي [latex] \frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex]، حيث L هي الحرارة الكامنة.

نظام مكابح التيار الدوامي في بيئة صناعية توضح تطبيقات الكهرومغناطيسية.

التيارات الدوامة (تيارات فوكو)

التيارات الدوامية هي حلقات من التيار الكهربائي المُستحثّ داخل موصلات كبيرة بفعل مجال مغناطيسي متغير، وفقًا لقانون فاراداي. تتدفق هذه التيارات في حلقات مغلقة في مستويات عمودية على المجال المغناطيسي. ووفقًا لقانون لينز، تُنشئ هذه التيارات مجالها المغناطيسي الخاص الذي يُعاكس التغير في التدفق الخارجي، مُسببةً قوة تنافر أو قوة سحب وتسخينًا مقاومًا.

مختبر الديناميكا الحرارية مع جهاز بلتيير وجهاز سيبيك لتوضيح العلاقات بين كلفن.

علاقات كيلفن (تومسون)

إن علاقات كلفن هي معادلتان تربط المعاملات الكهروحرارية الثلاثة من الناحية الديناميكية الحرارية: تربط العلاقة الأولى معامل بلتيير ([latex]\Pi[/latex]) بمعامل سيبيك ([latex]T[/latex]) عبر درجة الحرارة المطلقة ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. أما الثاني فيربط معامل طومسون ([latex]\mathcal{K}[/latex]) بمشتق درجة حرارة معامل سيبيك: [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].

1850

1851

1854

1850

1851

1852

1859

اللزوجة المرنة

اللزوجة المرنة هي خاصية للمواد التي تُظهر خصائص اللزوجة والمرونة معًا عند تعرضها للتشوه. المواد اللزجة، مثل العسل، تقاوم تدفق القص والانفعال خطيًا مع مرور الوقت عند تطبيق إجهاد. أما المواد المرنة، مثل الشريط المطاطي، فتنفعل عند شدها وتعود بسرعة إلى حالتها الأصلية بمجرد زوال الإجهاد. تحتوي المواد اللزجة المرنة على عناصر من كليهما.

عالم يقيس التسامي في مختبر عتيق، دراسة الديناميكا الحرارية.

إنثالبي التسامي

إنثالبي التسامي، [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]، هو الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من المادة من مادة ما من مادة صلبة إلى غاز عند درجة حرارة وضغط معينين. ووفقًا لقانون هيس، بما أن الإنثالبي دالة حالة، فإن هذا التغير في الطاقة هو مجموع إنثالبي الاندماج ([latex]\Delta H_\\{\text{{fus}}[/latex]) وإنثالبي التبخير ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).

مهندسون يصممون محركاً حرارياً فعالاً في المختبر، يوضح تطبيقات الديناميكا الحرارية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يُقدّم القانون الثاني مفهوم الإنتروبيا ويُحدّد اتجاه العمليات التلقائية. يُمكن التعبير عنه بطرقٍ مُختلفة، ولكن إحدى نتائجه الرئيسية هي أن الإنتروبيا الكلية لنظامٍ معزول لا يُمكن أن تنخفض أبدًا بمرور الوقت. يُفسّر هذا القانون "سهم الزمن" ولماذا تكون العمليات غير رجعية، مثل انتقال الحرارة تلقائيًا من جسمٍ ساخن إلى آخر بارد.

مشهد مختبري يوضح التجارب الديناميكية الحرارية على نموذج الغاز المثالي.

The Perfect Gas Model

الغاز المثالي هو نموذج نظري للغاز حيث تُهمل القوى بين الجزيئية ويُفترض أن تكون السعة الحرارية النوعية ([latex]C_P[/latex] و[latex]C_V[/latex]) ثابتة بالنسبة إلى درجة الحرارة. وهذا يبسط الحسابات الديناميكية الحرارية بشكل كبير. إنها حالة محددة للغاز المثالي، حيث يمكن أن تختلف درجات الحرارة المحددة باختلاف درجة الحرارة، مما يجعله نموذجًا أكثر تقييدًا.

مشهد مختبري من القرن التاسع عشر مع لودفيغ بولتزمان وهو يدرس قانون الغاز المثالي في الديناميكا الحرارية الإحصائية.

قانون الغاز المثالي (الشكل الإحصائي)

تعبر صيغة الميكانيكا الإحصائية لقانون الغاز المثالي عن العلاقة بدلالة الخواص المجهرية للغاز. وتربط الضغط ([latex]P[/latex]) والحجم ([latex]V[/latex]) بالعدد الكلي للجسيمات ([latex]N[/latex]) ودرجة الحرارة المطلقة ([latex]T[/latex]) من خلال ثابت بولتزمان ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

تأثير طومسون

يصف تأثير طومسون تسخين أو تبريد موصل حامل للتيار عند وجود تدرج في درجة الحرارة على طوله. وتنتج الحرارة أو تمتص عندما يتدفق التيار عبر مادة ذات تدرج في درجة الحرارة. ويُعطَى معدل إنتاج الحرارة لكل وحدة طول بالمعادلة [latex]\frac{dQ}{dx} = - \mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex]، حيث [latex]\mathcal{K}[/latex] هو معامل طومسون.

جهاز مختبري يوضح تأثير جول-تومسون في الديناميكا الحرارية.

تأثير جول-ثومسون

يصف تأثير جول-ثومسون (أو جول-كلفن) التغير في درجة حرارة غاز حقيقي عند دفعه عبر صمام أو سدادة مسامية مع الحفاظ على عزله (عملية إيزنثالبية). عند ضغط معين، يكون للغاز درجة حرارة انعكاسية. إذا تمدد إلى ما دون هذه الدرجة، يبرد؛ وإذا تمدد إلى ما فوقها، يسخن. يُعد هذا التأثير التبريدي حجر الزاوية في تقنيات التبريد والتسييل الحديثة.

بطارية الرصاص الحمضية مع أنود الرصاص وكاثود ثاني أكسيد الرصاص في بيئة مختبرية تاريخية.

كيمياء بطاريات الرصاص الحمضية

أول بطارية قابلة لإعادة الشحن ناجحة تجاريًا. تستخدم أنودًا من الرصاص (Pb)، وكاثودًا من ثاني أكسيد الرصاص (PbO₂)، وإلكتروليتًا من حمض الكبريتيك (H₂SO₄). أثناء التفريغ، يتحول كلا القطبين إلى كبريتات الرصاص (PbSO₄)، ويُستهلك حمض الكبريتيك. هذه العملية عكسية كيميائيًا بتطبيق تيار خارجي، مما يجعلها نظامًا عمليًا ومتينًا لتخزين الطاقة.

(إذا كان التاريخ غير معروف أو غير ذي صلة، على سبيل المثال "ميكانيكا الموائع"، يتم توفير تقدير تقريبي لظهوره الملحوظ)