متى تم اكتشاف قانون بويل - Boyles Law

• سنة الاكتشاف 1650م

ما هو قانون بويل؟

• يتناسب حجم الغاز عكسياًً مع مقدار القوة الضاغطة عليه

من هو مكتشف قانون بويل؟

• روبرت بويل Robert Boyle

لماذا يُعد اكتشاف قانون بويل ضمن أعظم مائة اكتشاف في التاريخ؟

أرسى المفهوم الذي اكتشفه روبرت بويل (أو ما يعرف الآن بقانون بویل) لقواعد جميع الدراسات الكمية والتحليلات الكيميائية للغازات. فلقد كان أول صيغة كمية الدراسة سلوك الغازات، كما ويعتبر من أساسيات فهم الكيمياء حيث يُدّرس ضمن بداية المنهاج التعليمي لأي طالب كيمياء.

بوصفه عالماًً تجريبياًً عبقرياًً، أثبت بويل بأن الغازات تتألف من ذرات - تماماً مثل المواد الصلبة. ولكن ما يميز ذرات الغاز أنها منتشرة على مسافات متباعدة عن بعضها البعض وقابلة للانضغاط. وبهكذا تجارب، ساهم بويل في إقناع الوسط العلمي بوجود الذرات- القضية التي طال النقاش في صحتها ألفي عام من الزمان منذ أن افترضها العالم ديموقريطسª" Democritus للمرة الأولى سنة 440 ق.م.

كيف تم اكتشاف قانون بويل؟

إنحدر روبرت بویل Robert  Boyle من عائلة نبيلة وكان عضواً للمجمع العلمي البريطاني. وفي أحد اجتماعات المجمع عام 1662م، تلا روبرت هوك Robert  Hooke بحثاً حول تجربة فرنسية توضح «مطاطية الهواء». لقد حظيت دراسة خصائص الهواء باهتمام كبير لدى علماء القرن السابع عشر.

بني العلماء الفرنسيون اسطوانة نحاسية مسدودة بقوة بواسطة مكبس. قام عدد من الرجال بالضغط على المكبس بقوة، ضاغطين بذلك الهواء المحصور بالأسطوانة، ثم انصرفوا بعد أداء مهمتهم. ارتفع المكبس من جديد، ولكن ليس بنفس مقدار ارتفاعه السابق.

صرح الفرنسيون من خلال تجربتهم هذه بأن الهواء ليس على درجة كاملة من المطاطية. عند تسليط ضغط عليه، فإنه يحافظ على جزء من حالة انضغاطه.

و لكن كان لروبرت بويل رأي آخر تماماًً. حيث حكم بعدم جدوى تجربة الفرنسيين موضحا بأن المكبس كان من الضيق والإحكام بما يعيق كامل رجوعه لمستواه الأصلي بعد رفع الضغط عنه. فجادله آخرون متذرعين بأن التجربة كانت ستفشل حتماً نظراً لتسرب الهواء في حال استعمل الفرنسيون مكبساً متراخياً.

تعهد بويل بصنع مكبس مناسب غير محكم ولا متراخ بشدة. كما أكد لزملائه بأن مكبسه المتكامل هذا سيثبت خطأ الفرنسيين في تجربتهم.

بعد أسبوعين وقف روبرت بویل قبالة المجمع ممسكاً بأنبوب زجاجي كبير مائل علی شکل حرف U. أحد طرفي الأنبوب كان مرتفعاً لحوالي 3 أقدام (90 سم) وضيقاً، بينما كان الطرف الثاني قصيراً وأعرض قطراً. وكان الطرف القصير مسدوداً، بينما كان الطرف الطويل مفتوحاً.

اسكب بويل الزئبق السائل داخل أنبوبه فملأ قاع الأنبوب وارتفع ارتفاعاً منخفضاً في كلا طرفي الأنبوب. انحصر جيب كبير من الهواء فوق عمود الزئبق في الطرف القصير العريض. وهنا أردف بویل معرّفا لمفهوم المكبس بأنه أي جهاز يمكن بواسطته الضغط على الهواء. بما أنه استعمل الزئبق السائل كمكبس، فأنه لا يوجد أي احتكاك من شأنه التأثير على النتائج كما حصل في التجربة الفرنسية.

قاس بويل وزن المكبس الزجاجي وحفر خطاً في الزجاج عند التقاء الزئبق بالهواء المحصور. ثم قطرَ الزئبق السائل في الطرف الطويل لحد امتلائه، فانضغط الهواء المحصور لأقل من نصف حجمه الأصلي نتيجة وزن وقوة الزئبق.

حفر بويل خطاً جديداً على الطرف القصير للأنبوب مشيراً إلى المستوى الجديد للزئبق وبالتالي الحجم المضغوط للهواء المحصور. وأخيراً قام بإفراغ الزئبق من خلال صمام أسفل الأنبوب حتى تساوى وزن الزئبق والمكبس الزجاجي مع وزنهما السابق، فرجع عمود الزئبق إلى مستواه الأول بالضبط. الهواء المحصور قد قفز، إذن، إلى مستوى انطلاقه، وهو ما يؤكد أن الهواء يتمتع بقابلية مطاطية تامة. أخطأ الفرنسيون، وأصاب بویل.

واظب بويل على تجاربه مستعملاً مكبسه الزجاجي المضحك ولاحظ شيئاً جديراً بالاهتمام. إذ لما كان يضاعف الضغط (وزن الزئبق) على حجم معين من الهواء المضغوط بمقدار مرتين، فإن الحجم كان يقل للنصف. كما أن مضاعفة الضغط ثلاث مرات أدت إلى تقليل حجم الهواء للثلث. فالتغير في حجم الهواء المضغوط تناسب دوماً مع التغير بالضغط المسُلط عليه.

وقد عبرّ بويل عن هذه العلاقة بمعادلة رياضية بسيطة تعرف اليوم بقانون بویل. قانون فاق جميع القوانين الأخرى من حيث الأهمية في فهم واستغلال الغازات لتلبية احتياجات بني البشر.