CHARLES'S LOV: FORMLER OG ENHEDER, EKSPERIMENT, ØVELSER - KEMI - 2025

Den lov Charles eller Guy-Lussac er en, der tillader oversigten over en af egenskaberne af den gasformige tilstand: det volumen, som optages af en gas er direkte proportional med temperaturen ved konstant tryk.

Denne proportionalitet er lineær for alle temperaturområder, hvis den pågældende gas er ideel; reelle gasser på den anden side afviger fra den lineære tendens ved temperaturer nær deres dugpunkt. Dette har dog ikke begrænset brugen af ​​denne lov til et utal af applikationer, der involverer gasser.

Kinesiske lanterner eller ønsker balloner. Kilde: Pxhere.

En af de væsentligste anvendelser af Charles lov er i luftballoner. Andre enklere balloner, såsom ønskeballoner, også kaldet kinesiske lanterner (øverste billede), afslører forholdet mellem volumen og temperatur på en gas ved konstant tryk.

Hvorfor ved konstant pres? For hvis trykket skulle stige, ville det betyde, at beholderen, hvor gassen befinder sig, er hermetisk forseglet; og med dette ville kollisionerne eller påvirkningen af ​​de gasformige partikler mod de indvendige vægge i nævnte beholder stige (Boyle-Mariotte-loven).

Derfor ville der ikke være nogen ændring i den mængde, der optages af gassen, og Charles's lov ville mangle. I modsætning til en lufttæt beholder repræsenterer ønsket af ballonerne en mobil barriere, der er i stand til at ekspandere eller sammentrykke afhængigt af det tryk, der udøves af gassen indeni.

Når ballonvævet udvides, forbliver imidlertid det indre tryk i gassen konstant, fordi det område, hvor dens partikler kolliderer, øges. Jo højere temperaturen på gassen er, jo højere er partikernes kinetiske energi, og derfor antallet af kollisioner.

Og når ballonen udvides igen, forbliver kollisionerne mod dens indvendige vægge (ideelt) konstante.

Så jo varmere gas, jo større er ekspansionen af ​​ballonen, og jo højere stiger den. Resultatet: rødlige (omend farlige) lys ophængt på himlen i december nætter.

Hvad er Charles's lov?

Udmelding

Den såkaldte Charles's Law eller Gay-Lussac's Law forklarer den afhængighed, der findes mellem det rumfang, der optages af en gas, og værdien af ​​dens absolutte temperatur eller Kelvin-temperatur.

Loven kan udtrykkes på følgende måde: hvis trykket forbliver konstant, er det tilfreds med, at “for en given masse af en gas øger den dens volumen med ca. 1/273 gange dens volumen ved 0 ºC, for hver grad celsius (1 ºC) for at øge temperaturen ”.

Job

Forskningsarbejdet, der etablerede loven, blev indledt i 1780'erne af Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Charles offentliggjorde dog ikke resultaterne af sine undersøgelser.

Senere formåede John Dalton i 1801 eksperimentelt at bestemme, at alle gasser og dampe, studeret af ham, udvides mellem to bestemte temperaturer i den samme volumenmængde. Disse resultater blev bekræftet af Gay-Lussac i 1802.

Forskningen fra Charles, Dalton og Gay-Lussac gjorde det muligt at fastslå, at det rumfang, der optages af en gas og dets absolutte temperatur, er direkte proportionalt. Derfor er der et lineært forhold mellem temperaturen og volumen af ​​en gas.

Kurve

Graf over T vs V for en ideel gas. Kilde: Gabriel Bolívar.

Grafering (øverste billede) volumen af ​​en gas mod temperatur giver en lige linje. Krydset mellem linjen og X-aksen ved en temperatur på 0 ° C muliggør opnåelse af mængden af ​​gas ved 0 ° C.

Ligeledes ville krydset mellem linjen og X-aksen give information om temperaturen, for hvilken volumen, der optages af gassen, ville være nul "0". Dalton estimerede denne værdi til -266 ° C, tæt på Kelvins foreslåede værdi for absolut nul (0).

Kelvin foreslog en temperaturskala, hvis nul skulle være den temperatur, ved hvilken en perfekt gas ville have et volumen på nul. Men ved disse lave temperaturer er gasserne flydende.

Derfor er det ikke muligt at tale om mængder gasser som sådan ved at konstatere, at værdien for absolut nul skal være -273,15 ºC.

Formler og måleenheder

formler

Charles's lov i sin moderne version siger, at volumen og temperatur på en gas er direkte proportional.

Så:

V / T = k

V = gasvolumen. T = Kelvin-temperatur (K). k = proportionalitetskonstant.

Til et volumen V ₁ og en temperatur T ₁

k = V ₁ / T ₁

Ligeledes til et volumen V ₂ og en temperatur T ₂

k = V ₂ / T ₂

Derefter sidestilles de to ligninger for k, vi har

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Denne formel kan skrives som følger:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Løsning for V ₂, er formlen opnået:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Enheder

Volumenet af gassen kan udtrykkes i liter eller i en hvilken som helst af dens afledte enheder. Ligeledes kan lydstyrken udtrykkes i kubikmeter eller i en hvilken som helst afledt enhed. Temperaturen skal udtrykkes i absolut temperatur eller Kelvin-temperatur.

Så hvis temperaturerne på en gas udtrykkes i grader celsius eller Celsius-skalaen, for at udføre en beregning med dem, ville mængden af ​​273,15 ºC blive tilføjet til temperaturerne for at bringe dem til absolutte temperaturer eller kelvin.

Hvis temperaturerne udtrykkes i grader Fahrenheit, ville 459,67 ºR blive tilføjet til disse temperaturer for at bringe dem til absolutte temperaturer i Rankine-skalaen.

En anden velkendt formel af Charles's Law og direkte relateret til dens erklæring er følgende:

V _t = V _eller (1 + t / 273)

Hvor V _t er volumen besat af en gas ved en bestemt temperatur, udtrykt i liter, cm ³, osv.; og V _o er det rumfang, der optages af en gas ved 0 ° C. På sin side er t den temperatur, hvormed volumenet måles, udtrykt i grader celsius (ºC).

Og endelig repræsenterer 273 værdien af ​​absolut nul på Kelvin-temperaturskalaen.

Eksperiment for at bevise loven

Montering

Opsætning af eksperimentet for at demonstrere Charles's lov. Kilde: Gabriel Bolívar.

I en beholder med vand, der opfyldte funktionen af ​​et vandbad, blev en åben cylinder anbragt øverst med et stempel, der passede til cylinderens indre væg (øverste billede).

Dette stempel (bestående af stemplet og de to sorte baser) kunne bevæge sig hen imod toppen eller bunden af ​​cylinderen afhængigt af mængden af ​​gas, den indeholdt.

Vandbadet kunne opvarmes ved hjælp af en brænder eller et opvarmningsanlæg, der tilførte den nødvendige varme til at øge badets temperatur og derfor temperaturen på cylinderen udstyret med et stempel.

En bestemt masse blev anbragt på stemplet for at sikre, at eksperimentet blev udført ved konstant tryk. Temperaturen på badet og cylinderen blev målt ved anvendelse af et termometer anbragt i vandbadet.

Selvom cylinderen sandsynligvis ikke havde en graduering til at vise luftmængden, kunne dette estimeres ved at måle den højde, der er nået med massen, der er placeret på stemplet og overfladen på cylindernens bund.

Udvikling

Volumenet af en cylinder opnås ved at multiplicere overfladearealet af sin base med dens højde. Overfladen af cylinderbasen kunne opnås ved anvendelse af følgende formel: S = Pi xr ².

Mens højden opnås ved at måle afstanden fra bunden af ​​cylinderen til den del af stemplet, hvorpå massen hviler.

Da temperaturen på badet blev øget med den varme, der blev produceret af lighteren, blev stempelet observeret at stige inden i cylinderen. Derefter læser de på termometeret temperaturen i vandbadet, som svarede til temperaturen inde i cylinderen.

De målte også højden af ​​massen over stemplet og kunne estimere mængden af ​​luft, der svarede til den målte temperatur. På denne måde foretog de flere målinger af temperaturen og estimater af luftmængden svarende til hver af temperaturerne.

Med dette var det endelig muligt at konstatere, at volumen, som en gas optager, er direkte proportional med dens temperatur. Denne konklusion muliggjorde enunciation af den såkaldte Charles Law.

Ballon med is om vinteren

Ud over det forrige eksperiment er der en enklere og mere kvalitativ eksperiment: Isballonen om vinteren.

Hvis en helium-fyldt ballon blev placeret i et opvarmet rum om vinteren, ville ballonen have et vist volumen; Men hvis det senere blev flyttet uden for huset med en lav temperatur, ville det observeres, at heliumballonen krymper, hvilket reducerer dens volumen i henhold til Charles's Law.

Løst øvelser

Øvelse 1

Der er en gas, der optager et volumen på 750 cm ³ ved 25 ºC: hvad vil være det volumen, som denne gas optager ved 37 ºC, hvis trykket holdes konstant?

Det er først nødvendigt at omdanne temperaturenhederne til kelvin:

T ₁ i grader Kelvin = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T ₂ i grader Kelvin = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

Siden V ₁ og de andre variabler er kendte, V ₂ er løst og beregnet med den følgende ligning:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780.86 cm ³

Øvelse 2

Hvad er temperaturen i grader celsius, til hvilken 3 liter gas skal opvarmes til 32 ° C, så dens volumen udvides til 3,2 liter?

Igen omdannes grader Celsius til kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

Og som i den foregående øvelse løser vi for T _{2 i} stedet for V ₂, og det beregnes nedenfor:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁)

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Men erklæringen beder om grader celsius, så den enhed af T ₂ er ændret:

T ₂ i grader Celsius = 325, 49 ºC (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ºC

Øvelse 3

Hvis en gas ved 0 ° C optager et volumen på 50 cm ³, hvilket volumen vil den optage ved 45 ° C?

Brug af den originale formel i Charles's lov:

V _t = V _eller (1 + t / 273)

Vi fortsætter med at beregne V _t direkte, når alle variablerne er tilgængelige:

V _t = 50 cm ³ + 50 cm ³ · (45 ºC / 273 ºC (K))

= 58,24 cm ³

På den anden side, hvis problemet løses ved hjælp af strategien i eksemplerne 1 og 2, vil vi have:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Resultatet, anvendelse af de to procedurer, er det samme, fordi de i sidste ende er baseret på det samme princip i Charles's lov.

Applikationer

Ønsker balloner

Ønskeballonerne (allerede nævnt i introduktionen) er forsynet med et tekstilmateriale imprægneret med en brændbar væske.

Når dette materiale tændes, er der en stigning i temperaturen på luften indeholdt i ballonen, hvilket medfører en stigning i mængden af ​​gas i henhold til Charles lov.

Når volumenet af luft i ballonen stiger, formindskes derfor luften i ballonen, hvilket bliver mindre end dens omgivende luft, og det er grunden til, at ballonen stiger.

Pop-up- eller kalkuntermometre

Som navnet antyder, bruges de under madlavning af kalkuner. Termometeret har en luftfyldt beholder lukket med et låg og er kalibreret på en sådan måde, at når man når den optimale tilberedningstemperatur, løftes låget med en lyd.

Termometeret placeres inde i kalkunen, og når temperaturen inde i ovnen stiger, udvides luften inde i termometeret og øger dens volumen. Når luftvolumen derefter når en bestemt værdi, får han termometret til at løfte.

Gendannelse af formen på ping-pong bolde

Ping-pong-kugler er, afhængigt af kravene til deres anvendelse, lette i vægt, og deres plastvægge er tynde. Dette forårsager, at når de bliver ramt af ketsjere, lider deformationer.

Ved at placere de deformerede kugler i varmt vand, opvarmes luften inde og udvides, hvilket fører til en stigning i luftvolumen. Dette får også væggen til ping-pong-kuglerne til at strække sig, så de kan vende tilbage til deres oprindelige form.

Brødfremstilling

Gær indarbejdes i hvedemel, der bruges til at fremstille brød og har evnen til at producere kuldioxidgas.

Når brødets temperatur stiger under bagning, stiger mængden af ​​kuldioxid. Det er på grund af dette, at brødet udvides, indtil det når det ønskede volumen.

Referencer

1. Clark J. (2013). Andre gaslove - Boyle's Law og Charles 'Law. Gendannes fra: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Charles 'lov. Gendannet fra: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Charles Law. Gendannet fra: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27. december 2018). Hvad er formlen for Charles lov? Gendannes fra: thoughtco.com
5. Professor N. De Leon. (Sf). Grundlæggende gaslovgivning: Charles Law. C 101 Klasse Noter. Gendannes fra: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Gendannet fra: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fysisk-kemi for biologer. (2. ^da udgave). Redaktionel Reverté, SA