تتعلق دراسة سلوك الغازات بنظرية الحركة الجزيئية، التي تمثل أحد المفاهيم الأساسية في علم الفيزياء. سعى العلماء لفترة طويلة لفهم حركة الجزيئات في الغازات، وقد تم وضع العديد من الفرضيات والنظريات لشرح ذلك. في هذا المقال، سنستعرض نظرية الحركة الجزيئية ووظائفها في تفسير سلوك الغازات.
ما هي نظرية الحركة الجزيئية في سلوك الغازات؟
- تعتمد النظرية الحركية الجزيئية على فكرة أن جزيئات الغاز تتحرك بشكل غير منضبط وعشوائي، حيث تُنتج هذه الحركة في درجات حرارة معينة.
- تتزايد سرعة جزيئات الغاز مع زيادة درجة الحرارة، وتؤثر الوزن الجزيئي أيضاً على السرعة؛ حيث تتحرك الجزيئات الخفيفة بسرعة أكبر مقارنة بالجزيئات الثقيلة عند نفس درجة الحرارة.
- على سبيل المثال، إذا تم تسخين جزيئات الهيدروجين (وهي أخف) مع جزيئات الأكسجين (الأثقل)، فإن سرعة جزيئات الهيدروجين ستتجاوز سرعة جزيئات الأكسجين في نفس الظروف.
- تتحكم العلاقة بين السرعة ودرجات الحرارة بموجب “مبرهنة التوزيع المتساوي”.
افتراضات نظرية الحركة الجزيئية لسلوك الغازات
تستند نظرية الحركة الجزيئية إلى مجموعة من الافتراضات التي تُفسر سلوك الغاز عند ارتفاع درجات الحرارة، ومنها:
- يتكون الغاز من عدد هائل من الجزيئات الصغيرة، بحيث يكون حجمها مجتمعةً أقل بكثير من حجم الوعاء الذي تحتويه.
- يشير ذلك إلى أن المسافات بين الجزيئات أكبر بكثير من حجم الجزيئات نفسها.
- تفترض النظرية درجة متماثلة في الكتلة بين الجزيئات المكونة للغاز.
- تعتبر النظرية أن عدد الجزيئات في الغاز كبير جدًا لدرجة يمكن التعامل معه بطريقة إحصائية.
- تتحرك الجزيئات بشكل دائم، وتتميز هذه الحركة بالعشوائية والسرعة العالية.
- تفترض النظرية أن الجزيئات مرنة وكروية، حيث تتصادم الجزيئات مع بعضها البعض ومع جدران الوعاء، مما يدل على أن التصادمات مرنة.
- توجد قوى تجاذب ضعيفة بين الجزيئات، مما يعني أن التأثيرات بينها يمكن اعتبارها مهملة، وهكذا تقتصر التفاعلات على التصادمات فقط.
نتائج الافتراضات النظرية
أسفرت الافتراضات السابقة عن نتائج قيمة تتعلق بسلوك الجزيئات، ومنها:
- يمكن إهمال التأثيرات النسبية في معظم الحالات.
- يمكن تجاهل تأثيرات ميكانيكا الكم، حيث أن متوسط المسافة بين جزيئات الغاز أكبر بكثير من “طول موجة دي برولي”، مما يسمح بمعاملتها كأجسام كلاسيكية.
- تتيح هذه المعطيات استخدام الميكانيكا الكلاسيكية لفهم حركة الجزيئات.
- تعكس المعادلات الخاصة بحركة الجزيئات الزمن، حيث يمكن أن يحدث تصادم عكسي.
- في حالة تصادم كرتين من البلياردو، مثل الكرة (أ) والكرة (ب)، يتسبب التصادم في تغيير سرعاتهما.
- يمكن أن تنعكس حركة الجزيئات حيث يمكن أن تبدأ بعكس السرعات، مما يظهر إلى الوجود العكوسية الزاوية قبل وبعد التصادم.
- تعتمد الطاقة الناتجة عن حركة الجزيئات على درجة الحرارة فقط.
- يكون زمن تصادم الجزيئات مع جدار الوعاء صغيرًا جدًا مقارنة بزمن التصادمات الأخرى، مما يستدعي تجاهله.
- تطورت دراسة حركة الجزيئات مع مراعاة أحجامها، مما سمح بوصف خصائص الغازات بشكل دقيق، كما يظهر في “معادلة بولتزمان”.
توضيح سبب استخدام نظرية الحركة الجزيئية في تفسير سلوك الغازات
- توضح نظرية الحركة الجزيئية العلاقة بين درجة الحرارة والضغط على المستوى الجزيئي.
- ضغط الغاز هو نتيجة التصادمات بين الجزيئات وجدران الوعاء، حيث يتوقف تأثيره على سرعة الجزيئات ونشاطها، وكذلك على معدل التصادمات.
- الدرجة المطلقة للغاز تعبر عن متوسط الطاقة الحركية للجزيئات.
- وبالتالي، عند وضع غازين عند نفس درجة الحرارة، سيكون لكل منهما معدل الطاقة الحركية ذاته.
- تزداد طاقة حركة الجزيئات بزيادة درجة الحرارة.
- توضح النظرية أيضًا أن سرعات الجزيئات تختلف في لحظات زمنية مختلفة،Where it is observed that a single particle can have variable velocities.
- عندما تتحرك الجزيئات بسرعة كبيرة، قد ينحرف بعضها عن مسارها.
- كما أن هذه النظرية توضح كيفية فهم القوانين الغازية من خلال تفسير حركة الجزيئات، بما في ذلك القوانين التالية:
1 ــ تأثير زيادة الحجم مع وجود درجة حرارة ثابتة
- إذا كانت درجة الحرارة ثابتة، فإن متوسط حركة الجزيئات ستظل ثابتة أيضًا.
- وبزيادة الحجم، تتحرك الجزيئات لمسافات أطول بين التصادمات، مما يؤدي إلى تقليل الضغط عند الجدران.
2 ــ تأثير زيادة درجة الحرارة عند ثبات الحجم
- زيادة درجة الحرارة تؤدي إلى رفع متوسط طاقة الحركة للجزيئات.
- مع عدم وجود تغيير في حجم الغاز، يزداد عدد التصادمات بين الجزيئات وجدران الوعاء لكل وحدة زمنية.
- عندما تصطدم الجزيئات بقوة بجدران الوعاء، يتمكن تفسير النظرية من توضيح زيادة الضغط.
ما هي الخصائص العامة للغازات؟
تتمتع الغازات بعدد من الخصائص، ومنها:
- تتميز الغازات بكثافتها المنخفضة، بسبب صغر حجم جزيئاتها وكبر المسافات بينها نتيجة ضعف الروابط، مما يجعل معظم حجم الغاز يتكون من الفراغ.
- يمكن للغازات التمدد والانضغاط حسب حجم الوعاء، حيث يمكن أن تأخذ كمية صغيرة من الغاز كل الفراغ المتاح في وعاء كبير.
- تتميز بقدرتها على الانتشار في وسائط مختلفة، حيث تتحرك جزيئات الغاز بحرية، وهذا يجعلها قادرة على التدفق.