ЗАКОНЪТ НА ЧАРЛЗ: ФОРМУЛИ И ЕДИНИЦИ, ЕКСПЕРИМЕНТ, УПРАЖНЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В закона на Чарлз или Гай-Lussac е тази, която позволява на изявлението на един от свойствата на газообразно състояние: на обем, заеман от газ е пряко пропорционално на температурата при постоянно налягане.

Тази пропорционалност е линейна за всички температурни диапазони, ако въпросният газ е идеален; реалните газове, от друга страна, се отклоняват от линейната тенденция при температури близо до точката на оросяване. Това обаче не ограничава използването на този закон за безброй приложения, включващи газове.

Китайски фенери или желани балони. Източник: Pxhere.

Едно от най-важните приложения на закона на Чарлз е във въздушните балони. Други по-прости балони, като желаните балони, наричани още китайски фенери (горно изображение), показват връзката между обема и температурата на газ при постоянно налягане.

Защо при постоянно налягане? Защото ако налягането се увеличи, това би означавало, че контейнерът, където се намира газът, е херметически затворен; и с това сблъсъците или ударите на газообразните частици върху вътрешните стени на споменатия контейнер ще се увеличат (законът на Бойл-Мариот).

Следователно нямаше да има промяна в обема, зает от газа, и законът на Чарлз щеше да липсва. За разлика от херметичния контейнер, платът на желаните балони представлява подвижна бариера, способна да се разширява или свива в зависимост от налягането, упражнявано от газа вътре.

Тъй като балонната тъкан се разширява, вътрешното налягане на газа остава постоянно, защото площта, над която се сблъскват частиците му, се увеличава. Колкото по-висока е температурата на газа, толкова по-голяма е кинетичната енергия на частиците и следователно броят на сблъсъците.

И тъй като балонът отново се разширява, сблъсъците срещу вътрешните му стени остават (в идеалния случай) постоянни.

Така че колкото по-горещ е газът, толкова по-голямо е разширяването на балона и толкова по-високо ще се покачва. Резултатът: червени (макар и опасни) светлини, окачени на небето през декември нощите.

Какъв е законът на Чарлз?

изявление

Така нареченият закон на Чарлз или законът на Гей-Лусак обяснява зависимостта, която съществува между обема, зает от един газ, и стойността на неговата абсолютна температура или температура на Келвин.

Законът може да бъде формулиран по следния начин: ако налягането остане постоянно, то се убеди, че „за дадена маса на газ той увеличава обема си с приблизително 1/273 пъти обема си при 0 ºC за всяка градусова температура (1 ° C) за повишаване на неговата температура “.

Работни места

Изследователската работа, която установи закона, е инициирана през 1780-те от Жак Александър Сезар Чарлз (1746-1823). Чарлз обаче не публикува резултатите от своите разследвания.

По-късно Джон Далтън през 1801 г. успява да определи експериментално, че всички газове и пари, изследвани от него, се разширяват между две определени температури в едно и също обемно количество. Тези резултати са потвърдени от Gay-Lussac през 1802г.

Изследователските трудове на Чарлз, Далтън и Гей-Лусак позволиха да се установи, че обемът, зает от газ и неговата абсолютна температура са пряко пропорционални. Следователно съществува линейна връзка между температурата и обема на газ.

диаграма

Графика на Т срещу V за идеален газ. Източник: Габриел Боливар.

Графиката (отгоре изображение) обемът на газ спрямо температура произвежда права линия. Пресичането на линията с оста X при температура 0 ° С позволява получаване на обем на газа при 0 ° С.

По същия начин пресичането на линията с оста X би дало информация за температурата, за която обемът, зает от газа, би бил равен на нула "0". Далтън оцени тази стойност на -266 ° С, близка до предложената стойност на Келвин за абсолютна нула (0).

Келвин предложи температурна скала, чиято нула трябва да бъде температурата, при която перфектният газ би имал обем от нула. Но при тези ниски температури газовете се втечняват.

Ето защо не е възможно да се говори за обеми газове като такива, като се установява, че стойността за абсолютна нула трябва да бъде -273,15 ºC.

Формули и мерни единици

Формули

Законът на Чарлз в съвременната му версия гласи, че обемът и температурата на газ са пряко пропорционални.

Така:

V / T = k

V = обем газ. T = температура на Келвин (K). k = константа на пропорционалност.

За обем V ₁ и температура Т ₁

k = V ₁ / T ₁

По същия начин, за обем V ₂ и температура Т ₂

к = V ₂ / T ₂

Тогава, приравнявайки двете уравнения за k, които имаме

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Тази формула може да бъде записана по следния начин:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Решавайки за V ₂, формулата се получава:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Единици

Обемът на газа може да се изрази в литри или във всяка от неговите производни единици. По същия начин, обемът може да се изрази в кубически метри или във всяка производна единица. Температурата трябва да бъде изразена в абсолютна температура или температура на Келвин.

Така че, ако температурите на газ са изразени в градуси по Целзий или по скалата на Целзий, за да се извърши изчисление с тях, трябва да се добави към температурите 273,15 ºC, за да ги доведе до абсолютни температури или келвин.

Ако температурите са изразени в градуси по Фаренхайт, към тези температури ще трябва да се добавят 459,67 ºR, за да ги доведе до абсолютни температури по скалата на Ранкин.

Друга добре известна формула на Чарлсовия закон и пряко свързана с неговото изявление е следната:

V _t = V _или (1 + t / 273)

Където V _t е обемът, зает от газ при определена температура, изразен в литри, см ³ и т.н.; и V _o е обемът, зает от газ при 0 ° С. От своя страна, t е температурата, при която се измерва обемът, изразена в градуси по Целзий (ºC).

И накрая, 273 представлява стойността на абсолютната нула в температурната скала на Келвин.

Експериментирайте, за да докажете закона

монтиране

Поставяне на експеримента, за да демонстрира закона на Чарлз. Източник: Габриел Боливар.

В контейнер с вода, който изпълнява функцията на водна баня, в горната му част е поставен отворен цилиндър с бутало, което се монтира към вътрешната стена на цилиндъра (изображение отгоре).

Това бутало (съставено от буталото и двете черни основи) може да се придвижва към горната или долната част на цилиндъра в зависимост от обема на съдържащия се газ.

Водната баня може да се нагрее чрез използване на горелка или отоплителна инсталация, която доставя топлината, необходима за повишаване на температурата на банята и следователно температурата на цилиндъра, снабден с бутало.

Определена маса се поставя върху буталото, за да се гарантира, че експериментът се провежда при постоянно налягане. Температурата на банята и цилиндъра се измерва с помощта на термометър, поставен във водната баня.

Въпреки че цилиндърът вероятно не е имал степенка за показване на обема на въздуха, това може да се изчисли чрез измерване на височината, достигната от масата, поставена върху буталото, и повърхността на основата на цилиндъра.

развитие

Обемът на цилиндъра се получава чрез умножаване на повърхността на основата му по височината му. Повърхността на основата на цилиндъра може да бъде получена чрез прилагане на формулата: S = Pi xr ².

Докато височината се получава чрез измерване на разстоянието от основата на цилиндъра, до частта на буталото, върху която масата опира.

Тъй като температурата на банята се повишаваше от топлината, произведена от запалката, се наблюдаваше, че буталото се повишава в цилиндъра. След това те отчитат на термометъра температурата във водната баня, която съответства на температурата вътре в цилиндъра.

Те също така измерват височината на масата над буталото, като могат да преценят обема на въздуха, който съответства на измерената температура. По този начин те направили няколко измервания на температурата и оценки на обема на въздуха, съответстващ на всяка от температурите.

С това най-накрая беше възможно да се установи, че обемът, който заема газ, е пряко пропорционален на неговата температура. Този извод позволи да се изрази така нареченият закон на Чарлз.

Балон с лед през зимата

В допълнение към предишния експеримент има по-прост и по-качествен: този на балона с лед през зимата.

Ако през зимата балон с хелий беше поставен в отопляемо помещение, балонът ще има определен обем; Но ако по-късно се премести извън къщата с ниска температура, щеше да се забележи, че балонът с хелий се свива, намалявайки обема си според закона на Чарлз.

Решени упражнения

Упражнение 1

Има газ, който заема обем от 750 см ³ при 25 ° С: какъв ще бъде обемът, който този газ заема при 37 ° С, ако налягането се поддържа постоянно?

Необходимо е първо да се преобразуват мерните единици на температура в келвин:

T ₁ в градуси Келвин = 25 ° С + 273,15 ° С = 298,15 К

T ₂ в градуси Келвин = 37 ºC + 273.15 ºC = 310.15 K

Тъй като V ₁, а другите означения са известни, V ₂ е решен и се изчислява със следното уравнение:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 750 см ³ (310.15 К / 298.15 К)

= 780,86 см ³

Упражнение 2

Каква би била температурата в градуси по Целзий, до която 3 литра газ трябва да се нагреят до 32 ° C, така че обемът му да се разшири до 3,2 литра?

Отново градусите по Целзий се трансформират в келвин:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

И както в предишното упражнение, ние решаваме за T _2, вместо за V ₂, и тя се изчислява по-долу:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁)

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 К

Но изявлението изисква градуси по Целзий, така че единицата на T ₂ се променя:

T ₂ в градуси по Целзий = 325, 49 º C (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ° С

Упражнение 3

Ако газ при 0 ° C заема обем 50 cm ³, какъв обем ще заеме при 45 ° C?

Използване на оригиналната формула на закона на Чарлз:

V _t = V _или (1 + t / 273)

Пристъпваме към изчисляването на V _t директно, когато са налични всички променливи:

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

= 58,24 см ³

От друга страна, ако проблемът се реши с помощта на стратегията от примери 1 и 2, ще имаме:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 318 К · (50 cm ³ /273 К)

= 58,24 см ³

Резултатът, прилагайки двете процедури, е един и същ, защото в крайна сметка те се основават на един и същ принцип на закона на Чарлз.

Приложения

Пожелайте балони

Желаещите балони (вече споменати във въвеждането) са снабдени с текстилен материал, импрегниран с горима течност.

Когато този материал е подпален, се наблюдава повишаване на температурата на въздуха, съдържащ се в балона, което води до увеличаване на обема на газа според закона на Чарлз.

Следователно, тъй като обемът на въздуха в балона се увеличава, плътността на въздуха в него намалява, което става по-малко от плътността на околния въздух и затова балонът се издига.

Изскачащи или пуешки термометри

Както показва името им, те се използват по време на готвене на пуйки. Термометърът има контейнер с въздух, затворен с капак и се калибрира по такъв начин, че при достигане на оптималната температура за готвене, капакът се повдига със звук.

Термометърът се поставя вътре в пуйката и с увеличаване на температурата във фурната въздухът вътре в термометъра се увеличава, увеличавайки обема си. След това, когато обемът на въздуха достигне определена стойност, той прави капака на повдигането на термометъра.

Възстановяване на формата на топки за пинг-понг

Топките за пинг-понг, в зависимост от изискванията на тяхната употреба, са леки на тегло и пластмасовите им стени са тънки. Това причинява, че когато бъдат ударени от ракетите, те търпят деформации.

Поставяйки деформираните топчета в гореща вода, въздухът вътре се загрява и разширява, което води до увеличаване на обема на въздуха. Това също кара стената на пинг-понг топките да се разтегне, което им позволява да се върнат в първоначалната си форма.

Приготвяне на хляб

Дрождите се включват в пшенично брашно, което се използва за приготвяне на хляб и имат способността да произвеждат въглероден диоксид.

С повишаването на температурата на хляба по време на печене, обемът на въглеродния диоксид се увеличава. Именно поради това хлябът се разширява, докато достигне желания обем.

Препратки

1. Кларк Дж. (2013). Други газови закони - Закон на Бойл и Закон на Чарлз. Възстановено от: chemguide.co.uk
2. Старошик Андрей. (2018). Закон на Чарлз. Възстановени от: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Чарлз Лоу. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Хелменстин, Тод. (27 декември 2018 г.). Каква е формулата за закона на Чарлз? Възстановено от: thinkco.com
5. Проф. Н. Де Леон. (SF). Елементарни газови закони: Чарлз закон. C 101 Бележки за класа Възстановено от: iun.edu
6. Бриньо Габриела. (2018). Чарлз Лоу. Възстановено от: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Физикохимия за биолози. (2 ^да издание). Редакционно Reverté, SA