تمدد الغازات

يوصف تمدّد الغازfree expansion عندما يسخَّن بأنه حراري، ويعرَّف معامل تمدده الحجمي تحت ضغط ثابت مثلما يُعرَّف في تمدّد الجوامد والسوائل[ر]، غير أن معامل تمدّد الغازات الحراري ثابت يساوي ، وهو أكبر بكثير من معاملات تمدّد الجوامد والسوائل (انظر الغاز). أما ما يراد بتمدد الغاز هنا فهو تمدده عندما يتاح له أن يشغل حجماً أكبر مما كان له نتيجة لانفلاته من خلال صنبور أو حاجز مسامي وهو ما يعرف بالتمدد الحر pansion. ويمكن أن يتمدد بطرائق مختلفة، فهو يوصف بأنه متساوي الدرجة isotherm، إذا كانت جدران أوعية الغاز نفوذية للحرارة، أي تنقل الحرارة نقلاً جيداً؛ ويوصف التمدد بأنه كظوم adiabatic، إذا كانت جدران الأوعية لا تنقل الحرارة قط. وأما عمل قوى ضغط الغاز جراء تمدده فإما أن يكون عملاً خارجياً صغيراً أو كبيراً، أو يكون عملاً داخلياً، وهذا يتم، بوجه خاص، عندما يكون تمدد الغاز في الخلاء، أي في حيزٍ خالٍ تفصله عن الخارج جوانب متينة، ولا يتبادل الغاز حينئذ عملاً مع الوسط الخارجي.
ويمكن تصنيف تمددات الغاز بحسب درجة لاعكوسيتها، فتمدد الغاز في الخلاء أو من خلال جانب ذي مسام أو صنبور ذي فتحة دقيقة هي تمددات غير عكوسة؛ وبالمقابل، يقترب تمدد الغاز من العكوسية الميكانيكية إذا كان الغاز يدفع في أثناء تمدده البطيء مكبساً زلقاً مزيَّتاً تقاومه في كل لحظة قوة تساوي قوى الضغط الي يولدها الغاز. ويكون العمل الذي يقوم به جزيءٌ غرامي من الغاز منذ بداية تمدده حتى نهايته مساوياً:
حيث يدل ض على ضغط الغاز ويدل ح على حجمه. فإذا كان التمدد متساوي الدرجة وكان يخضع لقانون ماريوط Mariotte، أي: ض ح = ثابت كان العمل

أما إذا كان التمدد كظوماً، وكان الغاز يخضع لمعادلة بواسون Poisson، أي: ض ح γ= ثابت، حيث تساوي γ نسبة الحرارة النوعية ن ض في ضغط ثابت إلى الحرارة النوعية ن ح في حجم ثابت، فإن العمل .

وإذا تمددت كتلة معينة من الغاز تمدداً متساوي الدرجة أو تمدداً كظوماً بدءاً من الشروط ض1، ح1 ، د1 نفسها منتهية في الحالتين بالضغط ض2 نفسه، فإن العمل الذي يقوم به الغاز في حالة التمدد الكظوم يكون أقل من عمله في حالة التمدد المتساوي الدرجة؛ ذلك لأن الغاز يبرد حين يتمدد تمدداً كظوماً فينقص ضغطه وينقص من جراء ذلك العمل الناتج. ومن السهل حساب انخفاض درجة الحرارة في حالة غاز كامل يخضع لقانون الغازات العام:
وقد درس كل من غاي لوساك[ر] Gay-Lussac وجول[ر] J.P.Joule تمدد الغاز في الخلاء، أي من غير القيام بعمل خارجي، بافتراض أن الغاز معزول حرارياً أي طاقته الداخلية ثابتة، فوجدا من تجاربهما أن الطاقة الداخلية لغاز كامل لا علاقة لها بحجمه، وأنها تابعة لدرجة حرارته فقط. ولكن هذه التجارب لم تكن دقيقة بالقدر الذي يمكِّن من كشف التغيرات التي تطرأ على حالة الغاز. وقد وجد هيرْن (1865) G.A.Hirn تبرداً ضئيلاً واضحاً. ويرتبط هذا التبرد بكون الطاقة الداخلية لغاز حقيقي، في درجة حرارة ثابتة، دالة متزايدة مع الحجم بسبب التجاذب بين جزيئات الغاز.
إن التمدد المسمى «تمدد جول ـ كلفن» من خلال حاجز مسامي أو صنبور ذي فتحة دقيقة يتم، إذا كان الغاز معزولاً حرارياً، «بإنطلْبية»enthalpy ثابتة ([ر. التحريك الحراري]، وتبين التجربة أن جميع الغازات تتبرد بالتمدد إذا لم تكن قيمة كلٍ من الضغط ودرجة الحرارة الابتدائيين عالية جداً، وإلاّ نجم عن التمدد ارتفاع درجة الحرارة؛ ويُستثنى من ذلك الهدروجين والهليوم، إذ إن تمددهما بدءاً من درجات حرارة عالية يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وذلك لأن مجال تبريد جول ـ كلفن لغازات كهذه صعبة التمييع يقع في درجات الحرارة المنخفضة جداً؛ فالهدروجين مثلاً لا يؤدي تمدده بدءاً من ضغط منخفض إلى تبريد إلا إذا كانت درجة حرارة الغاز الابتدائية أقل من نحو – 80ْس، وهي درجة حرارة الارتكاس inversion temperature للهدروجين.
ويستفاد من تمدد الغازات وانفلاتها صناعياً في أمور منها:
1ـ خفض درجة حرارة الغاز بتمييعه، فعلى الرغم من أن انخفاض درجة الحرارة ضئيل في كل تمدد إلا أنه يمكن تكراره إلى أن يتم الوصول إلى درجة الحرارة المنخفضة المطلوبة. أما التمدد الكظوم الذي يرافقه عمل خارجي في طريقة كلود Claude لتمييع الهواء فهو أشد فعالية لكن يصعب تحقيقه للوصول إلى درجات الحرارة المنخفضة جداً والتي يستخدم لبلوغها عادة تمدد الغاز من خلال صنبور ذي فتحة دقيقة.
2ـ الحصول على طاقة ميكانيكية من طاقة حرارية في المحركات ذات المكبس سواء كانت بخارية أو غازية (آلة بخارية، محرك احتراق داخلي أو محرك هواء مضغوط) ويستفاد فيها من عمل ضغط الغاز على المكبس وفي العنفات الغازية إذ تتحول الطاقة الكامنة في الغاز المضغوط والساخن، بتمدده المتوالي إلى طاقة حركية يستفاد منها بتماسها مع رِيَش عنفة دوارة.