كيف تكون الجسيمات في الغاز؟

الغاز كمصدر للطاقة المتجددة

منذ فترة طويلة يعتبر الغاز شكلاً من أشكال الطاقة التي يمكن الاعتماد عليها لقيادة النمو الاقتصادي والوطني ومع ذلك، في السنوات الأخيرة اكتسب الغاز اهتمامًا متزايدًا في قطاع الطاقة كمصدر للطاقة المحتملة المتجددة ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الغاز، عندما يتم استغلاله كمورد طبيعي فهو يقلل في كثير من الأحيان من خطر الأضرار البيئية مقارنة بالطرق الأخرى لتوليد الطاقة التقليدية مثل الفحم.

حيث يدخل الغاز الطبيعي في تشغيل الصناعات ويدفئ المنازل والشركات ويبردها، بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا توليد الغاز صناعياً من خلال الوسائل متخصصة بذلك، والتي أصبحت شائعة بشكل متزايد على نطاق عالمي وتتضمن هذه العملية تحطيم المواد العضوية، مثل الخشب إلى أجزاءها المكونة، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لإنشاء مصدر طاقة نظيف ومتجدد في كثير من الحالات يُنظر إلى الغاز على أنه وسيلة فعالة ومنخفضة التكلفة لتوليد الحرارة والقوة.

وعلى هذا النحو يعتبر الغاز مصدرًا مهمًا لمصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية كما أنه أصبح خيارًا جذابًا للصناعات والأفراد على حد سواء الذين يتطلعون إلى التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة علاوة على ذلك، ونظرًا لكفاءته العالية في توليد الطاقة، يعتبر الغاز من بين المصادر الأكثر موثوقيه وبأسعار معقولة للطاقة المتجددة المتوفرة اليوم، كما يمكن استخدام الغاز الطبيعي كوقود للسفن، الشاحنات، الحافلات، والقطارات لاحتواءه على نسبة أقل من الكربون

ما هي أنواع الغازات؟

هناك عدد من الأنواع المختلفة من الغازات التي يمكن العثور عليها في غلافنا الجوي، والتي يشمل بعضها النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون والأرجون والهيليوم والميثان ويعد النيتروجين هو الغاز الأكثر وفرة في الغلاف الجوي للأرض، وهو ما يمثل حوالي 78 % من الغلاف الجوي حسب الحجم.

يليه الأكسجين هو ثاني أكثر الغازات وفرة، ويضم حوالي 21% من الجو حسب الحجم ويوجد ثاني أكسيد الكربون في حوالي 0.04 % من الغلاف الجوي بالإضافة إلى الأرجون والهيليوم هما غازان نبيلان موجودان عادة في تركيزات صغيرة في الغلاف الجوي المحيط بكوكب الأرض، وعادة ما يكون حوالي 0.9 % و 0.0005 % على التوالي.

ويليهم الميثان وهو غاز آخر ملحوظ في الغلاف الجوي، ويضم حوالي 2 جزء لكل مليون جزء في المليون بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا العثور على كميات تتبع من الغازات الأخرى مثل ثاني أكسيد الكبريت والأوزون والهيدروجين وأول أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وبشكل عام، يعرض إجمالي هذه الغازات الهواء الذي نتنفسه نحن والكائنات الحية الأخرى.

حركة جسيمات الغاز

إن جزيئات الغاز في حركة مستمرة يصطدمون ويتفاعلون مع بعضهم البعض، ويتحركون في نمط مستمر وعشوائي ويمتلكان سرعات واتجاهات متفاوتة وتظهر جزيئات الغاز حركة فوضوية مستمرة تُعرف باسم الحركة البراونية ويحدث هذا لأن الجزيئات يتم قصفها باستمرار بواسطة جزيئات مجهرية أخرى في بيئتها، مما تسبب لها في التحرك بشكل خاطئ.

ترتبط درجة حرارة الغاز مباشرة بمتوسط الطاقة الحركية لجزيئاتها ومع زيادة درجة حرارة الغاز، ومتوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات الغاز يعتمد على درجة حرارة الغاز كما سبق وبينا حيث تتناسب الطاقة الحركية طرديًا مع درجة حرارة الغاز، لذلك عند زيادة درجة حرارة جزيئات الغاز تزداد معها طاقة الحركة وسرعة الجزيئات.

وعليه فتزداد الطاقة الحركية لجزيئاتها، مما يؤدي إلى زيادة سرعة حركة الجزيئات العشوائية لتصبح الاصطدامات الجزيئية أكثر تواترا، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الضغط بالإضافة إلى ذلك، يزداد متوسط سرعة الجزيئات وتصبح حركاتها العشوائية أكثر اضطرابًا لذلك تتحرك جزيئات الغاز في نمط متغير وغير متوقع باستمرار، مما يؤدي إلى تغييرات الضغط ودرجة الحرارة التي لها أهمية لقوانين الغاز ومع ذلك لا تمتلك جميع الجزيئات نفس السرعة وبالتالي ليست نفس الطاقة الحركية أيضًا.

 

خواص الغازات

من المهم أن نعرف بخصوص الغازات أنها موائع مما يعني وجود قابلية لها للسريان ولا تقاوم تغيير شكلها، بالرغم من أن لها لزوجة وعلى غير ما يحدث في السوائل، فإن الغازات حرة لا تشغل حجماً ثابتاً ولكنها تملأ أي فراغ يتاح لها وطاقة حركة الغازات هي ثاني أهم شيء في حالات المادة بعد البلازما وعليه فإن الغازات هي حالة من المادة التي تتميز عادة بمجموعة مميزة من الخواص التي نوردها عليكم فيما يلي:

• هي حالة كمن المادة تتميز بكثافتها المنخفضة وانخفاض معدلات اللزوجة.
• لدى الغازات عدد قليل نسبيا من التفاعلات بين الجزيئات، مما يمنحها خصائص منخفضة الكثافة.
• تتمتع الغازات بقدرة كبيرة على التوسع بشكل كبير في الحجم في ضغوط منخفضة نسبيا.
• تعد الغازات قابلة للضغط إلى حد كبير ويمكن تغييرها بشكل كبير في الحجم عن طريق التغيرات في الضغط أو درجة الحرارة.
• تحتوي العديد من الغازات على خصائص غاز مثالية فريدة من نوعها، مثل قدرتها على التوسع بسرعة مع زيادة درجة الحرارة ومعدل انتشارها العالي، مما يسمح لها بالخلط بسرعة مع الغازات الأخرى والتوزيع عبر النظام.
• علاوة على ذلك، ونظرًا لأن الغازات لها لزوجة منخفضة نسبيًا، فإن لديها القدرة على الانتشار عبر المساحات بشكل أسرع بكثير من حالات المادة الأخرى.
• تحتوي جزيئات الغاز أيضًا على خصائص إنتروبيا قوية، مما يعني أن الطاقة الحركية المرتبطة بحركتها العشوائية تزداد مع زيادة درجة الحرارة وتزداد إنتروبيا، مما يجعلها أسهل بكثير في الضغط من حالات المادة الأخرى.

قوانين الغازات

قوانين الغازات هي مجموعة من القوانين الفيزيائية المتعلقة بسلوك جزيئات الغاز في ظل ظروف مختلفة ولقد اكتشف روبرت بويل هذه القوانين في أواخر القرن السابع عشر وتنص هذه القوانين على أنه، في ظل درجة حرارة ثابتة يكون ضغط الغاز يتناسب عكسيا مع حجمه وفي ظل الضغط المستمر، يتناسب حجم الغاز بشكل مباشر مع درجة حرارته وتصف قوانين الغازات أيضًا العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة لكمية معينة من الغاز.

وهذه القوانين مهمة في مجالات مثل الكيمياء والفيزياء، حيث يتم استخدامها لفهم سلوك الغازات والتنبؤ بسلوك بعض الغازات في ظروف مختلفة وعلاوة على ذلك يتم استخدام قوانين الغازات لدراسة خصائص الغازات، بما في ذلك انضغاطها وعملية الانتشار كما يتم استخدام قوانين الغازات لشرح الخصائص الفيزيائية للغازات، مثل الضغط الذي يمارسه الغاز في حاوية مغلقة وغيرها من الحالات المختلفة وفيما يلي نذكر لكم أبرز هذه القوانين كما يلي:

• قانون بويل.
• قانون تشارلز (جاي لوساك).
• رقم أفوجادرو.
• قانون ثبات الغاز.

حجم جسيمات الغاز

جزيئات الغاز لها حجم أصغر بكثير مقارنة بحالات المادة الأخرى وهي مصنوعة من الذرات التي تم فصلها عن بعضها البعض، مما يمنحهم حجمًا أصغر بكثير من الجزيئات الصلبة والسائلة وعادة ما تكون الغازات حوالي ألف حجم الجزيئات في السوائل نظرًا لصغر حجمها، ويمكن أن تتحرك جزيئات الغاز بسهولة حول جزيئات أخرى وتنتشر بسرعة في جميع أنحاء مساحة معينة.

هذا السلوك هو السبب وراء قدرتهم على ملء حاوية من حجم معين مع ضغط متساوي بغض النظر عن عددهم حيث تتحرك جزيئات الغاز بسرعة كبيرة في جميع الاتجاهات، وتصطدم وتراجع مع بعضها البعض وجدران الحاوية وتمكنهم هذه الحركة العشوائية من الانتشار وتحتل المساحة الحجمية بالكامل للحاوية بالإضافة إلى ذلك، فإن جزيئات الغاز صغيرة جدًا لدرجة أنها غير مرئية للعين البشرية وهذا هو السبب في أننا لا نستطيع رؤيتها.

ما هي خصائص الغازات؟

تعتبر الغازات حالات فريدة من المادة ذات الخصائص الفريدة التي تميزها عن السوائل والمواد الصلبة وهذه الخصائص تتمثل فيما يلي:

• الغازات لها كثافة منخفضة،
• الغازات لها لزوجة منخفضة وتميل إلى التوسع لملء أي حاوية يتم وضعها فيها.
• كما أن لديها توتر سطح منخفض للغاية، مما يعني أنها غير قادرة على تكوين قطرات مثل سائل.
• حقيقة أن الغازات لها لزوجة منخفضة تسمح للجزيئات بالتنقل والتفاعل بسرعة وحرية، مما يعني أن الجسيمات في الغاز متنقل للغاية.
• الغازات قابلة للضغط للغاية، مما يعني أنه يمكن تغيير ضغطها عن طريق تغيير حجمها أو العكس ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الغازات لها جاذبية منخفضة الجزيئات منخفضة للغاية، مع كل جزيء يتفاعل فقط مع أقرب جاره.
• الغازات قابلة للاشتعال للغاية، مع احتراق ذلك في ظل الظروف المناسبة.
• تميل الغازات إلى تبديدها ويصعب احتوائها، مما يعني أنه يمكن أن يهرب بسهولة وينشر.

مفهوم النظرية الحركية للغازات

نظرية الحركية: تعد هذه النظرية للغازات هي نظرية علمية تشير إلى أن الغازات لها خصائص فيزيائية فعلية ويعتمد على فكرة أن الجزيئات في حركة مستمرة وتتفاعل مع بعضها البعض وفقًا لهذه النظرية، حيث تصطدم الجزيئات داخل الغاز باستمرار وترتد بعضها البعض، مما يؤدي إلى أنماط معينة من الحركة.

ولقد تم اقتراح هذه الفكرة لأول مرة في القرن التاسع عشر من قبل Ludwig Boltzmann وأصبحت عاملاً رئيسياً في تطوير الميكانيكا الإحصائية حيث تستند النظرية إلى ملاحظة أن التصادم بين الجزيئات عشوائي وتتبع بعض القوانين وتنص على أنه عندما تصطدم الجزيئات، يتم الحفاظ على طاقتها الحركية وهذا هو ما يؤدي إلى توازن الحركة حيث يكون للجزيئات كميات متساوية من الطاقة في حجم معين.

كما ينص على أن درجة حرارة الغاز تتناسب مع متوسط الطاقة الحركية للجزيئات فيه وهذا يشكل أساس قانون الغاز المثالي، الذي ينص على أن الضغط ودرجة حرارة وحجم الغاز كلها مرتبطة ولقد تم استخدام نظرية الحركية للغاز لشرح مجموعة واسعة من الظواهر الفيزيائية، مثل العلاقة بين الضغط والحجم والانتشار والطاقة الحرارية.

كيف تتمدد الغازات

من المعروف أن الغازات، بسبب افتقارها إلى بنية صلبة فهي تعد قادرة على توسيع شكل أي حاوية وملأها ويعرف هذا السلوك باسم سلوك الغاز الذي تحدده قوانين الديناميكا الحرارية وعند وضع الغاز في حاوية ولا يتم تسخين الحاوية أو تبريدها بأي حال من الأحول، حيث ستتوسع جزيئات الغاز لملء حجم الحاوية بالكامل ويرجع ذلك إلى زيادة الضغط الذي تمارسه جزيئات الغاز، مما يدفعها إلى الخارج وبالتالي يزيد من حجم الحاوية.

ومع زيادة حجم الحاوية، فأنه يتناقص الضغط الذي تمارسه جزيئات الغاز وبالتالي يتبدل الضغط على جدران الحاوية ونتيجة لذلك فإن جزيئات الغاز تعد قادرة بحق على توسيع الحاوية وملأها بشكل كامل وذيحدث ذلك إذا تم تسخين الغاز،  حيث يزداد الضغط على الجدران وينخفض حجم الحاوية بدرجة ملحوظة، مما يؤدي إلى انخفاض واضح في معدل تمدد جزيئات الغاز وفي المقابل إذا تم تبريد الغاز أيما كان نوعه، فيتناقص الضغط على الجدران ويزيد حجم الحاوية محل التجربة، مما يؤدي إلى زيادة ملحوظة في معدل تمدد جزيئات الغاز بشكل نهائي.