التطبيقات الطبية لقوانين الغازات
تتجلى أهمية دراسة قوانين الغازات في التنوع الواسع لتطبيقاتها في شتى المجالات، بما في ذلك المجال الطبي. يختلف كل تطبيق بحسب نوع قانون الغاز المعني:
- قانون بويل: يُستخدم في تقييم تأثير الغازات داخل تجاويف الجسم، مثل الرئتين، ولفهم كيفية تغير حجم الغازات عند الارتفاعات المختلفة. يشمل ذلك تحليل حالة الغواص عند صعوده من أعماق البحر وكيفية تمدد الغازات في رئتيه، مما قد يتسبب في انتفاخها، وهو ما يتجلى أيضًا في حالات مثل استرواح الصدر.
- قانون تشارلز: يُستخدم في حساب حرارة الغازات، مثل الهيدروجين، والتعرف على تغيرات حرارتها. كما يساعد في حساب كمية أكسيد النيتروس المتبقي في أسطوانات الغاز الطبية. يلعب هذا القانون دورًا في مبدأ عمل ميزان الحرارة الغازي.
- قانون جاي لوساك: يعنى بدراسة العلاقة بين ضغط الغاز ودرجة حرارته، مما يجعله مفيدًا في صمامات تخفيف الضغط على أسطوانات الغاز. تُعتبر تطبيقاته السريرية محدودة، حيث أن معظم العمليات الفسيولوجية تحدث ضمن درجات حرارة معتدلة تقدر بحوالي 37 درجة مئوية.
- قانون الغاز المثالي: يمكن استخدامه أيضًا لحساب كمية الأكسجين المتاحة في أسطوانات الغاز.
التفاعلات الكيميائية
تُعد تطبيقات قوانين الغاز مهمة في الكيمياء الحياتية، حيث تُستخدم لتحديد كمية الغاز المُستهلك أو المُنبعثة خلال التفاعلات الكيميائية. يُعتبر قانون الغاز المثالي من القوانين الأساسية التي يستخدمها الكيميائيون لفهم العلاقة بين كمية الغاز وحجمه، واستخدام المعلومات المتعلقة بدرجتي الحرارة والضغط. يُساعد هذا القانون في التعرف على الغازات ومعالجة المنتجات الغازية ومواد التفاعل في مختلف التفاعلات الكيميائية، مما يسهل التعامل معها بطرق تكفل الاستفادة منها أو التخلص منها بصورة مناسبة. يُعتبر من الضروري فهم دور قوانين الغاز في الصناعات الكيميائية، حيث يتمّ التعرف على طرق خلطها وتبريدها وتسخينها ونقلها عبر الأنابيب والمضخات في المصانع.
عملية التنفس
يُعبر معدل التنفس الطبيعي عن مقدار 0.5 لتر عند درجة حرارة الغرفة التي تبلغ حوالي 22 درجة مئوية. تخضع عملية التنفس لقانون الغازات العام، حيث تستند إلى مبدأ اختلاف الضغط. عندما يتم استنشاق الهواء، يتحرك الحجاب الحاجز للأسفل لتخفيف الضغط داخل الرئتين، مما يسمح للهواء بالتدفق من المحيط الخارجي لملء المنطقة ذات الضغط المنخفض. لاحقًا، يدفع الحجاب الحاجز الهواء خارج الرئتين أثناء الزفير، حيث يزيد الضغط داخل الرئتين مما يؤدي إلى خروج الهواء المرتفع الضغط. يوضح القانون أن اختلاف الضغط من 1 إلى 2 تور أو سنتيمتر زئبقي ضروري لعملية التنفس واستمرار حياة الإنسان.
المناطيد وكرات القدم
ينص قانون تشارلز على أن زيادة حجم الغاز تُعتبر طردية مع زيادة درجة حرارته عند ثبات الضغط. يتجلى ذلك في طريقة عمل المناطيد، حيث تنشأ زيادة في حجمها بسبب تضاعف عدد جزيئات الهواء، مما يعزز قدرتها على الارتفاع. كما يفسر هذا القانون ظاهرة انكماش كرات القدم عند إخراجها في يوم بارد، بالإضافة إلى استخدامه في تخزين ونقل غاز البروبان عندما يتم تحويله إلى سائل عبر تقليل درجة حرارته مما يؤدي إلى تقليل حجمه.
ما هي قوانين الغازات؟
في الفقرة التالية، سوف نتناول بشكلٍ مفصل قوانين الغازات والعلاقات التي يدرسها كل قانون فيما يتعلق بخصائص الغاز الأساسية مثل الحرارة والضغط والحجم والكتلة:
- قانون بويل: يوضح العلاقة العكسية بين الضغط وحجم الغاز عند ثبات درجة الحرارة وعدد الجزيئات.
ضغط الغاز × حجم الغاز = ثابت
ضغط الغاز الأولي × حجم الغاز الأولي = ضغط الغاز الجديد × حجم الغاز الجديد
- قانون تشارلز: يُظهر العلاقة الطردية بين حجم الغاز ودرجة الحرارة measured بالكلفن عند ثبات الضغط. يعكس هذا القانون حالة انكماش رئة الإنسان في الأجواء الباردة.
حجم الغاز / درجة الحرارة = ثابت
حجم الغاز الأولي / درجة الحرارة الأولية = حجم الغاز الجديد / درجة الحرارة الجديدة
- قانون جاي لوساك: يدرس العلاقة الطردية بين الضغط ودرجة الحرارة عند ثبوت كتلة الغاز، حيث يتناسب الضغط طرديًا مع الحرارة المطلقة.
ضغط الغاز / درجة حرارة الغاز = ثابت
ضغط الغاز الأولي / درجة حرارة الغاز الأولية = ضغط الغاز الجديد / درجة حرارة الغاز الجديدة
- قانون أفوغادرو: يعنى بدراسة العلاقة بين حجم الغاز وعدد المولات عند ثبات الضغط ودرجة الحرارة.
حجم الغاز عدد المولات = ثابت
حجم الغاز الأولي / عدد المولات الأولي = حجم الغاز الجديد / عدد المولات الجديد
- قانون الغاز المثالي: يربط بين قانون بويل وقانون تشارلز، لدراسة سلوك الغازات المثالية التي تتقارب مع سلوك الغازات الحقيقية. يُعتبر هذا القانون نتيجة الضغط الحركي للجزيئات التي تؤثر على جدران الحاوية وفقًا لقوانين نيوتن.
ضغط الغاز × حجم الغاز = عدد مولات الغاز × ثابت الغاز المثالي × درجة الحرارة
ض × ح = ن × ر × د؛ بحيث أن:
- ض: ضغط الغاز (كيلوباسكال أو ضغط جوي).
- ح: حجم الغاز (لتر).
- ن: عدد مولات الغاز.
- ر: ثابت الغاز العام 8.3145 جول/(مول.كلفن).
- د: درجة الحرارة (كلفن).
ويمكن أيضًا تمثيل القانون العام للغازات كما يلي:
ضغط الغاز × حجم الغاز = عدد أفوغادرو × ثابت بولتزمان × درجة الحرارة
- عدد أفوغادرو = 6.0221 × 1023 / مول
- ثابت بولتزمان = ثابت الغاز المثالي (ر) / عدد أفوغادرو
الخلاصة
تُعتبر قوانين الغازات، بما في ذلك قانون لوساك وقانون تشارلز، أساسية في العديد من التطبيقات اليومية المهمة. لقد ساهمت هذه القوانين في تصميم المناطيد وفهم كيفية طيرانها في الهواء، بالإضافة إلى توضيح بعض الظواهر الطبيعية، مثل آلية التنفس عند الإنسان.