قانون گیلوساک چیست؟
قانون گیلوساک (Gay-Lussac's Law) یکی از قوانین بنیادین گازها در ترمودینامیک است که توسط شیمیدان فرانسوی، ژوزف لوئی گیلوساک، کشف شد. این قانون بیان میکند کهدر حجم ثابت، فشار یک مقدار معین از گاز ایدهآل با دمای مطلق (کلوین) آن رابطه مستقیم دارد. به عبارت دیگر، اگر حجم محفظه گاز تغییر نکند و گاز را گرم کنیم، جنب و جوش مولکولها بیشتر شده و فشار گاز افزایش مییابد. این اصل در بسیاری از سیستمهای صنعتی و طبیعی، از دیگهای بخار گرفته تا تایرهای خودرو، کاربرد حیاتی دارد.
فرمول محاسبه و روابط ریاضی
فرمول ریاضی قانون گیلوساک به صورت زیر تعریف میشود. توجه داشته باشید که دما حتماً باید بر حسب کلوین (Kelvin) باشد:
برای محاسبه دمای نهایی (T₂)، فرمول به شکل زیر بازآرایی میشود:
T₂ = (P₂ × T₁) / P₁- P₁: فشار اولیه گاز
- T₁: دمای اولیه گاز (کلوین)
- P₂: فشار ثانویه گاز
- T₂: دمای نهایی گاز (کلوین)
مثالهای کاربردی در دنیای واقعی
۱. دیگ زودپز (Pressure Cooker)
در آشپزخانههای ایران، دیگ زودپز یک مثال کلاسیک است. حجم دیگ ثابت است. با افزایش حرارت شعله (T)، فشار بخار آب داخل دیگ (P) به شدت بالا میرود که باعث پخت سریعتر غذا میشود. اگر دریچه اطمینان کار نکند، قانون گیلوساک میتواند منجر به انفجار شود!
۲. تایر خودرو در تابستانهای خوزستان
تصور کنید فشار باد لاستیک خودرو در صبح خنک تنظیم شده است. در ظهر گرم خوزستان، دمای آسفالت و هوا (T) بالا میرود. چون حجم تایر تقریباً ثابت است، فشار باد داخل تایر (P) افزایش مییابد و ممکن است باعث ترکیدن لاستیک شود.
۳. کپسولهای گاز CNG
مخازن گاز CNG حجم ثابتی دارند. در روزهای بسیار سرد زمستانی، فشار سنج گاز ممکن است فشار کمتری را نشان دهد، در حالی که مقدار گاز تغییری نکرده است. این کاهش فشار مستقیماً ناشی از کاهش دما طبق قانون گیلوساک است.
خطاهای رایج محاسباتی
- ×
استفاده از درجه سلسیوس: بزرگترین اشتباه! در قوانین گازها همیشه باید دما را به کلوین تبدیل کنید (C + 273.15). استفاده از سلسیوس محاسبات را کاملاً غلط میکند.
- ×
عدم همخوانی واحدهای فشار: اگر P1 بر حسب اتمسفر است، P2 هم باید بر حسب اتمسفر باشد. اگر واحدها یکی نباشند، جواب غلط خواهد بود.
- ×
فرض حجم متغیر: قانون گیلوساک فقط برای «حجم ثابت» (Isochoric) صادق است. اگر پیستون حرکت کند یا حجم ظرف تغییر کند، باید از قانون گازهای ترکیبی استفاده کنید.
سوالات متداول
چگونه دما را از سلسیوس به کلوین تبدیل کنیم؟▼
کافیست عدد دما به درجه سلسیوس را با عدد ۲۷۳.۱۵ جمع کنید. مثال: ۲۵ درجه سلسیوس میشود ۲۹۸.۱۵ کلوین.
کاربرد قانون گیلوساک در صنعت چیست؟▼
در طراحی مخازن تحت فشار، اتوکلاوها (برای استریلیزاسیون پزشکی)، و موتورهای احتراق داخلی برای محاسبه فشار در لحظه انفجار سوخت کاربرد دارد.
آیا نوع گاز در این قانون مهم است؟▼
این قانون برای «گازهای ایدهآل» دقیق است. در فشارها و دماهای خیلی بالا یا پایین که گاز از حالت ایدهآل خارج میشود، خطای محاسباتی به وجود میآید اما برای اکثر کاربردهای معمول دقیق است.