فيزياء الباب السادس الحركة الجزيئية للغازات 3ث

الدرس في شكل نص مقروء



فيزياء - الباب السادس| الحركة الجزيئية للغازات



الدرس الأول



تتحرك جزيئات الغاز حركة عشوائية مستمرة يطلق عليها الحركة البراونية نسبة إلى العالم (براون) التي أثبتها على حبوب اللقاح في الماء.


تمدد الغازات


قارن بين تمدد الغاز وكل من السوائل والجوامد ؟


يختلف تمدد الغازات عن السوائل والجوامد لأن التغير في حجم الغازات يتوقف على تغير الضغط فقط أو تغير درجة الحرارة فقط أو كليهما.

بينما السوائل والجوامد يتوقف التغير في الحجم على التغير في درجة الحرارة فقط .

جـ: لأن قابليتها للإنضغاط صغيرة جداً ويمكن إهمالها لأن المسافات الجزيئة صغيرة جداً.

وعند دراسة سلوك غاز يجب الأخذ في الإعتبار المتغيرات الثلاثة (الحجم- الضغط – ودرجة الحرارة).

هناك ثلاث تجارب توضح العلاقة بين متغيرين عند ثبوت المتغير الثالث





1-العلاقة بين ،P عند ثبوت درجة الحرارة T (قانون بويل).

2-العلاقة بين,T عنـــــد ثبـوت الضــــغط p (قانون شارل).

3-العلاقة بين T، P عنـــــد ثبــــوت الحجــم (قانون الضغوط).


اشرح تجربة لبيان الحركة العشوائية للغاز ؟


يكون لجزيئات الغاز حركة عشوائية مستمرة من خلال دراسة الحركة
البراونية كما يلي: إذا فحصنا دخاناً متصاعداً من شمعة بواسطة الميكروسكوب
المركب ، لوجدنا دقائق الكربون المكونة للدخان تتحرك هنا وهناك حركات
عشوائية، وحركة دقائق الكربون هذه تعرف " بالحركة البراونية " .


تفسير الحركة البراونية :

تتحرك جزيئات الهواء ( أو أي غاز ) بسرعات مختلفة في جميع الإتجاهات
بطريقة عشوائية وأثناء حركتها تلك تصطدم مع بعضها البعض ، كما تصطدم مع
دقائق الكربون المكونة للدخان .


وعندما يكون عدد التصادمات مع أحد جوانب دقيقة الكربون في لحظة
معينة ، أكبر من عدد التصادمات مع الجانب المقابل ، فإن دقيقة الكربون سوف
تتحرك في اتجاه معين لمسافة قصيرة ويحدث نفس ما سبق ،ولكن في اتجاه آخر
وتتحرك مجموعة حركات في خطوط مستقيمة قصيرة تعرف بالحركة البراونية أو
العشوائية.


والسبب في ذلك أن :جزيئات الغاز – بعكس المواد الصلبة – حرة الحركة ، ودائمة التصادم فتغير اتجاهها عشوائيا بفعل الحرارة .


ويمكن أن نستخلص من ذلك ما يلي :

أن جزيئات الغاز في حالة حركة عشوائية مستمرة وأثناء حركتها تتصادم مع بعضها البعض كما تتصادم مع جدران الإناء التي يحتويها .





س : اشرح تجربة لبيان كبر المسافات الجزيئية في الغازات ؟

س: اشرح تجربة لبيان قابلية الغازات للإنضغاط؟


إدراك وجود مسافات فاصلة بين جزيئات الغاز تعرف بالمسافات الجزيئية كما يلي :


خطوات التجربة :1- إذا أخذنا مخبارا مليئا بغاز النشادر ، ونكسناه فوق مخبار آخر مليء بغاز كلوريد الهيدروجين.


الإستنتاج :

عندئذ سنشاهد تكوّن سحابة بيضاء من كلوريد الأمونيوم ، تأخذ في
النمو والإنتشار حتي تملأ كل حيز المخبارين ، يفسر ما حدث بأن جزيئات غاز
كلوريد الهيدروجين رغم كونه أكبر كثافة ، تنتشر إلي أعلي متخللة مسافات
فاصلة بين جزيئات غاز النشادر ، حيث تتحد مع جزيئاته مكونة كلوريد
الأمونيوم الذي تنتشر جزيئاته لتملأ المخبار العلوي كما تنتشر جزيئات
النشادر رغم كونه أقل كثافة ، إلى أسفل خلال المسافات الفاصلة بين جزيئات
غاز كلوريد الهيدروجين ، حيث تتحد مع جزيئاته مكونة كلوريد الأمونيوم الذي
تنتشر جزيئاته لتملأ المخبار السفلى ومما سبق نستخلص أن :

جزيئات الغاز بينها مسافات فاصلة كبيرة نسبيا تعرف بالمسافات
الجزيئية ، ويؤكد هذا قابلية الغازات للإنضغاط ،حيث تسمح المسافات الجزيئية
الكبيرة نسبيا بتقارب جزيئات الغاز عند تعرضها للضغط فيقل الحجم الذي
يشغله الغاز .

علل : الغازات قابلة للإنضغاط ؟


تتحدد بدرجة الحرارة فقط


معدل عدد التصادمات =



يعطي ضغط الغاز يعتمد علي حجم الغاز


نص قانون بويل : حجم كمية معينة من الغاز يتناسب عكسياً مع ضغطه عند ثبوت درجة حرارته .





تركيب جهاز بويل من:


يتكون من أنبوبة زجاجية (A) تشبه سحا حة مقلوبة يبدأ تدريجها من
أعلى . تتصل الأنبوبة (A) بأنبوبة أخرى (B) من الزجاج بواسطة أنبوبة من
المطاط . وتحتوى الأنبوبتان على كمية مناسبة من الزئبق ويحمل الأنبوبتين
قائم رأسي مثبت على قاعدة أفقية ترتكز على ثلاثة مسامير محواة يمكن
بواستطها جعل القائم رأسياً تماماً . والأنبوبة (B) قابلة للحركة على طول
القائم الرأسي إلى أعلى أو إلى أسفل ويمكن تثبيتها في أى وضع.


خطوات العمل:


1- نفتح الصنبور (A ) ونحرك الأنبوبة ( B ) أعلي وأسفل حتي يأخذ الزئبق مستوي أفقي واحد وليكن عند منتصف (B) .


2- نغلق الصنبور (A) ونعين حجم الهواء المحبوس ( ) سم3 ويكون ضغطه ( سم 0 ز) (حيث المقاس بواسطة البارومتر ) .


3- نحرك الأنبوبة ( B ) لأعلي عدة سنتيمترات حيث يرتفع سطحا الزئبق
في الأنبوبتين ويقل حجم الهواء المحبوس في (A) إلي ( ) سم3 وتقل المسافة
بين تصادمين متتاليين ، وبثبوت درجة الحرارة يؤدي إلي ثبوت سرعة الغاز
فيزداد معدل عدد التصادمات ويؤدي إلي زيادة الضغط . حيث h مقدار الإرتفاع
في سطح الزئبق في الأنبوبة B عن الأنبوبة A .


4- نحرك الأنبوبة ( B) لأسفل عدة سنتيمترات حيث ينخفض سطحا الزئبق
في الأنبوبتين ويزداد حجم الهواء في (A) إلي وتقل معدل عدد التصادمات
ويقل ضغط الغاز إلي ( ) حيث h مقدار الإنخفاض في سطح الزئبق في B عن
الأنبوبة A .


5- نكرر ما سبق وندون في جدول ونرسم علا قة بيانية بين vol رأسياً , p أفقياً



النتائج:

P=const P/ ثابت=


حاصل ضرب الضغط x الحجم لكمية معينة من غاز = مقدار ثابت

nRT = الميل = = جول = شغل مبذول من الغاز علي جدران الإناء

حيث : T درجة الحرارة ، R الثابت العام للغازات ، n عدد المولات



علل:

يزداد ضغط الغاز للضعف عندما يقل حجمه للنصف عند ثبوت درجة الحرارة؟

جـ: عند ثبوت درجة الحرارة يؤدي إلي ثبوت سرعة الغاز وعندما يقل حجم
الحيز الذي يشغله الغاز إلي النصف تقل المسافة التي يتحرك فيها إلي النصف
فيزداد معدل التصادمات إلي الضعف فيزداد الضغط إلي الضعف .


وطبقا لقانون بويل :-

كلما قل الحجم للنصف زاد الضغط للضعف حسب العلاقة


علل : كثافة الغاز تناسب طرديا مع ضغطه عند ثبوت درجة الحرارة ؟

جـ : عند ثبوت درجة الحرارة ونوع الغاز فإذا زاد الضغط يقل حجم
الغاز حسب قانون بويل وعندما يقل الحجم تزداد الكثافة حسب قانون الكثافة .


(إحـتياطات قانون بويل )

1- ثبوت درجة الحرارة وذلك عن طريق تحريك الأنبوبة B ببطء شديد .

2- أن تكون الأنبوبة الثابتة منتظمة المقطع ليعبر الطول عن الحجم

3- أن يكون الصنبور محكم الغلق لمنع تسرب الغاز.

4- قياس قيمة ( pa ) بواسطة البارومتر .

5- يفتح صنبور الأنبوبة الزجاجية الثابتة عند بداية التجربة ويعدل
وضع الفرع الحر حتى يتساوى سطحا الزئبق في الفرعين فيكون ضغط الهواء في
الأنبوبة الثابتة مساوياً للضغط الجوى.

6- ضبط المسامير المحواه في القاعدة الخشبية لجعل القاعدة أفقية تماماً والمسطرة رأسية .

7- أن يكون الغاز جافا تماما لأن بخار الماء ليس غازا مثاليا فلا يخضع للقانون.





س:- متى يشذ الغاز عن قانون بويل؟ وكيف يمكنك معرفة مدى الضغط الذي يخضع فيه الغاز لقانون بويل؟

جـ: يشذ الغاز عن قانون بويل في الضغوط العالية جداً ويمكن معرفة
مدى الضغط الذي يخضع فيه قانون بويل برسم علاقة بيانية بين وفى نهاية
الخط المستقيم هو المدى الذي يخضع فيه كما بالشكل.



مسائـل:

1- فقاعه هوائية حجمها وهى في قاع حمام سباحة ³ 1cm , وعندما وصلت
إلى سطح ماء الحمام كان حجمها 2cm³ احسب عمق الحمام عند موضع الفقاعة علما
بأن الضغط الجوى حينئذ 1 بار - وكثافة ماء الحمام 1030كجم/م³. علما بأن
(10 م/ث2) =. g,1 بار= Pa 105 .



( أ) انقل الجدول في ورقة إجابتك ثم أكمله.

(ب) ارسم خطا بيانيا للعلاقة , P .

(ج) اذكر العلاقة التي تستنبطها من الرسم البياني للضغط والحجم.

(د ) من الرسم البياني أوجد قيمة حجم الغاز عندما يكون الضغط 240 كيلو بسكال .

(و) اذكر خاصتين تكونان ثابتتين أثناء التجربة .


3- إذا كان ارتفاع الزئبق 75 سم في أنبوبة بارومترية منتظمة المقطع
مساحتها 1سم2 وكان حجم الفراغ فوق الزئبق بطول قدره 9 سم كم يكون حجم
الهواء تحت الضغط الجوى الذي إذا أدخل في حيز فوق الزئبق يجعل عمود الزئبق
ينخفض إلى إرتفاع 59 سم (إعتبر درجة الحرارة ثابتة).



4- الشكل المقابل يمثل إسطوانة مغلقة الطرفين تحتوى على مكبس عديم
الإحتكاك عند منتصفها وكان الضغط على جانبي المكبس 75 سم زئبق - فإذا تحرك
المكبس ببطء إلى اليمين قل حجم الجزء الأيمن إلي النصف . أوجد الفرق في
الضغط على جانبي المكبس .


5- فقاعة من الهواء حجمها 0.2 سم3 على عمق 20 متر في الماء أوجد
حجمها عند السطح إذا كان الضغط الجوى نيوتن/م2 علما بأن كثافة الماء
1030كجم/م9.8=g ³ متر /ث2.


6- أنبوبة شعرية منتظمة المقطع من الزجاج بها شريط من الزئبق طوله
4سم، وضعت أفقيا فكان طول عمود الهواء المحبوس بها 15 سم، احسب طول عمود
الهواء في الحالتين الآتيتين بفرض ثبوت درجة الحرارة وأن الضغط الجوى = 75
سم . ز.


(أ) إذا وضعت رأسيا وفتحتها لأعلى

(ب) إذا نكست و فتحتها لأسفل.


7- مستخدما البيانات المعطاة إرسم علاقة بين ومن الرسم أوجد:

(أ) مدى الضغط الذي يخضع فيه الغاز لقانون بويل.

(ب) أوجد القيم المتوقعة لكل من أ ، ب للضغط لو أن الغاز يخضع لقانون

بويل أو لا يخضع لقانون بويل.


8- علل:

(أ) بزيادة حجم الغاز يقل ضغطه عند ثبوت درجة الحرارة. (مصر 2003).

(ب) تتميز الغازات بقابليتها العالية للانضغاط. (مصر 1997).


9- مقدار من غاز النتروجين حجمه 15 لترا يكون الضغط الواقع عليه 12 سم.ز ومقدار من غاز من الأكسجين حجمه


10 لترات عندما يكون الضغط الواقع عليه 50 سم.ز وضع في إناء مغلق
سعته 5لترات فإذا كانت درجة الحرارة للغازين ثابتة أثناء خلطهما ، فأوجد
ضغط مزيجهما.


10- كمية معينة من غاز حجمها 450 سم3 وضغطها 150سم – احسب حجمها عندما يتزايد ضغطها إلى 270سم عند ثبوت درجة الحرارة.





11- إحسب عمق بحيرة بها ماء عذب كثافته كجم /م3 والضغط الجوى عند
سطحها نيوتن/م2 ويوجد بقاعها فقاعة هوائية ، ويزداد حجمها بمقدار مرة
ونصف مرة عندما تصل إلى السطح مباشرة (اعتبر أن درجة حرارة الماء ثابتة
وعجلة الجاذبية عند حجمها في القاع (10 م/ث2)= g)


12- فى تجربة لتعيين الضغط الجوى فى مكان ما بدون استخدام
البارومتر استخدمت أنبوبة شعرية منتظمة المقطع بها خيط من الزئبق طوله 10سم
يحجز بها كمية من الهواء ، وعندما نكست الأنبوبة فى وضع رأسى وفوهتها
إلى أسفل ، كان طول عمود الهواء المحبوس 15سم ، ولما كانت فوهتها لأعلى كان
طول عمود الهواء المحبوس 11.5سم فكم يكون الضغط الجوى عندئذ.


13- كمية من غاز النتروجين حجمها 15 لترا تحت ضغط 15 سم/ز عند
25ocخلطت مع كمية من غاز الأكسجين عند نفس الدرجة وضغطها 50سم/ز في إناء
مغلق سعته 5لتر فصار ضغط الخليط 120 سم/ز - أوجد حجم الأكسجين قبل
الخليط بفرض ثبوت درجة الحرارة.


14- إناء مقفل معزول حراريا يحتوى على 10 لترات من غاز الأكسجين تحت
الضغط الجوى المعتاد فإذا أضيف إليها 20 لترا تحت الضغط المعتاد فكم
يصبح الضغط الجديد .


15- فقاعة من الهواء حجمها 0.2 سم3 على عمق 20 م في الماء أوجد
حجمها قبل أن تصل إلى السطح مباشرة ، إذا كان الضغط الجوى نيوتن/م2 علما
بأن كثافة الماء 1000كجم/م2 (عجلة الجاذبية 9.8 م/ث2).


16- فقاعة غازية من الهواء حجمها 5سم2 عند قاع بحيرة عمقها 10م كم
يبلغ حجم هذه الفقاعة عند سطح هذه البحيرة - إذا علم أن الضغط الجوى يساوى
75سم زئبق وكثافة الماء تساوى 1000كجم /م2 وكثافة الزئبق تساوى 13600كجم/م2
وعجلة الجاذبية الأرضية تساوى 10م/ث2.


17- خزان من الصلب حجمه عند صفر سيليزيوس متر مكعب يحتوى على غاز
ثاني أكسيد الكربون كتلته 0.25 كجم وتحت ضغط جوى ، فإذا أضيف إلى الخزان
كتلة أخرى من نفس الغاز مقدارها 0.4 كجم وتحت نفس الضغط إلى الخزان – فكم
يصبح الضغط الجديد علما بأن C=12,O=16. المحول من أى غاز يحتوى على22.4
لتر عند صفر سيليزيوس وتحت الضغط المعتاد.





18- في الشكل الموضح بالرسم علي هيئة حرف U مغلفة من أحد طرفيها ،
ومحبوس بها كمية من الهواء ، فيكون طول عمود الزئبق الذي يجب صبّه في الفرع
المفتوح حتي يرتفع الزئبق 2 سم هو 27 – 29 – 4 – 100 ) سم .


19- ضغطت كمية من الهواء ذات كتلة ثابتة بمكبس عند درجة حرارة ثابتة
17oC ، يوضح الجدول التالي العلاقة بين الضغط المؤثر علي الهواء المحبوس
وحجمه .


1- أكمل الجدول .

2- ارسم علاقة بيانية بين الضغط ( P ) علي المحور الرأسي Y ومقلوب الحجم ( ) علي المحور الأفقي X .

3- استنتج العلاقة بين ضغط وحجم الهواء المحبوس من الرسم البياني مع تفسير إجابتك .

4- إذا ارتفعت درجة حرارة الهواء المحبوس إلي 27oC فكم يكون حجمه عند ضغط 100 كيلو باسكال .


20- أنبوبة طولها 50 سم مغلقة من نهايتيها تحتوي علي هواء جاف في
نهايتها ، يفصله زئبق طوله 10 سم وهي أفقية كما بالشكل ، فإذا كان ضغط
الهواء متساويا علي جانبي الزئبق Po ولكن عندما تكون رأسية يصبح طول عمود
الهواء السفلي 15 سم . إحسب الضغط في الأنبوبة وهي في الوضع الأفقي .


21- في الشكل المقابل :

أنبوبة بارومترية مساحة مقطعها 1cm2 فإذا كان طولها فوق سطح الزئبق
30cm ومستوي الزئبق داخلها في نفس مستواه في الحوض فإذا رفعت الأنبوبة
لأعلي حتي صار ارتفاع الزئبق فيها 38cm فوق مستواه في الحوض .احسب ارتفاع
الأنبوبة فوق سطح الزئبق علما بأن الضغط الجوي 76cmHg .


أثر درجة الحرارة في الحجم عند ثبوت الضغط. ˝قانون شارل˝

(أ) معامل التمدد الحجمى للغازات مقدار ثابت لا يعتمد على نوع الغاز .

إشرح تجربة عملية تثبت أن معامل التمدد الحجمى ثابت لجميع الغازات.


1- نأخذ دورقين متماثلين لهما نفس الحجم من الزجاج ، كل دورق به
سدادة من المطاط تنفذ منها أنبوبة قائمة الزاوية ، بها قطرة من الزئبق
طولها من2:3 سم أحدهما به أكسجين جاف والآخر به ثاني أكسيد كربون جاف .



2- نضع كل منهما بحوض به ماء بارد ثم نضيف كمية من الماء الساخن
وننتظر قليلا. حتى يأخذ كل من الغازين نفس درجة حرارة الماء الساخن .


قطرتا الزئبق تتحركان نفس المسافة – أي أن الزيادة في حجم الأكسجين الجاف مساوية للزيادة في حجم ثاني أكسيد الكربون.


الحجوم المتساوية من الغازات المختلفة تمتد بنفس القدر إذا رفعت نفس العدد من الدرجات عند ثبوت الضغط -

(أى أن معامل التمدد الحجمى ثابت بثبوت الضغط)


العوامل التي تعتمد عليها مقدار الزيادة في حجم الغاز عند ثبوت الضغط:

1- حجم الغاز الأصلى قبل التسخين

2- مقدار الارتفاع في الدرجات



حيث تسمي معامل التمدد الحجمي للغاز عند ثبوت الضغط .

تعريف معامل التمدد الحجمى للغاز :-av

مقدار الزيادة في حجم الغاز من وحدة الحجوم عند درجة صفر سليزيوس
0oc لكل ارتفاع في الدرجات قدره درجة حرارة سيليزية واحدة عند ثبوت الضغط
.

تعيين معامل التمدد الحجمي للغاز عمليا عند ثبوت الضغط ( جهاز شارل )


الوصف :

أنبوبة شعرية منتظمة المقطع طولها 30سم قطرها 1مم لها طرف مغلق
والآخر مفتوح ، بها قطرة سائل حمض كبريتيك مركز أو زئبق ويفضل حمض
الكبريتيك المركز لجعل الهواء المحبوس جافا ، مثبته رأسيا علي مسطرة مدرجة
بجوارها ترمومتر . داخل غلاف زجاجي به سدادتين من المطاط تنفذ من كل سداده
أنبوبة قائمة الزاوية مدخل ومخرج لبخار الماء .


خطوات العمل:


1- نملأ الغلاف الزجاجي بجليد مجروش أخذ في الانصهار وننتظر مدة
كافية حتى يأخذ الهواء المحبوس درجة صفر سليزيوس ونقيس طول عمود الهواء
المحبوس الذي يعبر عن سم3 حجم الغاز الأصلي .


2- نفرغ الجليد المجروش ونمرر بخار الماء عند سليزيوس مع الانتظار
مدة كافية ليأخذ الهواء المحبوس درجة سليزيوس ونقيس طول عمود الهواء ليعبر
عن (VOL)100 سم3.


3- نطبق في القانون : كلفن1-