قانون تشارلز: لماذا يرتفع منطاد الهواء الساخن بالحرارة وحدها

لا يحمل منطاد الهواء الساخن محركاً ولا أجنحة — يطير فقط لأن الهواء المحبوس داخل غلافه أسخن، وبالتالي أقل كثافة، من الهواء بالخارج. هذا قانون تشارلز يقوم بعمل حقيقي وحاسم، لا مجرد رسم بياني في كتاب مدرسي: سخِّن الغاز عند ضغط ثابت (تقريباً)، ويجب أن يزداد حجمه.

القاعدة، ولماذا يجب أن تكون صحيحة

ينص قانون تشارلز على أنه لكتلة ثابتة من الغاز عند ضغط ثابت، الحجم يتناسب طردياً مع درجة الحرارة المقيسة بالكلفن — ضاعِف درجة الحرارة المطلقة، ويتضاعف الحجم أيضاً. المنطق وراءه يأتي من النظرية الحركية: تسخين غاز يجعل جزيئاته تتحرك بسرعة أكبر في المتوسط، لذا تصطدم بجدران حاويتها بقوة أكبر وبتكرار أكثر. إذا كانت الحاوية حرة في التمدد — بالون، أو مكبس بوزن ثابت فوقه — تدفع قوة التصادم المتزايدة تلك الحدود للخارج حتى ينخفض الضغط مرة أخرى ليطابق الضغط الخارجي الثابت مرة أخرى، وهذا لا يحدث إلا بمجرد أن يشغل الغاز حجماً أكبر.

لماذا يجب أن يكون بالكلفن، لا بالسيليزيوس

التناسب الطردي يعمل فقط على مقياس درجة حرارة مطلق، واحد حيث يعني الصفر حقاً صفراً — لا حركة جزيئية متبقية إطلاقاً. للسيليزيوس نقطة صفر عشوائية (نقطة تجمّد الماء)، لذا مضاعفة درجة حرارة بالسيليزيوس لا تُضاعِف مدى الحركة الفعلية للجزيئات بطاقة؛ مضاعفة درجة حرارة بالكلفن تفعل ذلك. تاريخياً، هذا أكثر من مجرد راحة: قياسات جاك تشارلز الخاصة من القرن الثامن عشر لحجم الغاز مقابل درجة الحرارة، عند استقرائها كخط مستقيم إلى حيث سيصل الحجم نظرياً إلى صفر، أعطت واحداً من أوائل التقديرات القابلة للاستخدام للصفر المطلق — عقوداً قبل أن يتمكن أي أحد من الاقتراب منه في مختبر.

خلط شائع يستحق التوضيح

من السهل اللجوء إلى قانون تشارلز لتفسير شعور كرة قدم بالنعومة في صباح بارد، لكن ذلك في الواقع قانون غاز مختلف: حجم الكرة بالكاد يتغيّر (الغلاف صلب إلى حد ما)، لذا فالضغط هو ما ينخفض عند حجم ثابت تقريباً — ذلك قانون الضغط، لا قانون تشارلز. منطاد الهواء الساخن وبالون الحفلة المنكمش هما الحالتان الحقيقيتان لضغط ثابت، لأن كليهما حر في تغيير الحجم بدلاً من أن يكون مُقيَّداً بصلابة. التمييز بين قوانين الغازات حسب أي كمية تُبقى ثابتة فعلياً، لا أي مثال يبدو مشابهاً، هو بالضبط النوع من الأشياء السهل الخلط فيه تحت ضغط الامتحان. إذا كانت قوانين الغازات أو أي موضوع فيزياء آخر بـ GCSE والمستوى المتقدم تحتاج شرحاً بالآلية الفعلية بدلاً من صيغة للحفظ، فهذا بالضبط ما بُني حوله تدريسنا لفيزياء GCSE — انظر مسار التعلم الكامل هنا.