CHARLES LOV: FORMLER OG ENHETER, EKSPERIMENT, ØVELSER - KJEMI - 2026

Den lov av Charles eller Guy-Lussac er en som tillater angivelse av en av egenskapene i den gassformige tilstand: det volum som opptas av en gass er direkte proporsjonal med den temperatur ved konstant trykk.

Denne proporsjonaliteten er lineær for alle temperaturområder hvis den aktuelle gassen er ideell; reelle gasser, derimot, avviker fra den lineære trenden ved temperaturer i nærheten av duggpunktet. Dette har imidlertid ikke begrenset bruken av denne loven til et utall applikasjoner som involverer gasser.

Kinesiske lykter eller ønsker ballonger. Kilde: Pxhere.

En av de viktigste bruksområdene til Charles lov er i luftballonger. Andre enklere ballonger, for eksempel ønskeballongene, også kalt kinesiske lykter (toppbilde), viser forholdet mellom volumet og temperaturen på en gass ved konstant trykk.

Hvorfor ved konstant press? For hvis trykket skulle øke, ville det bety at beholderen der gassen befinner seg er hermetisk forseglet; og med dette ville kollisjonene eller påvirkningen av gassformige partikler mot innerveggene i nevnte beholder øke (Boyle-Mariotte-loven).

Derfor ville det ikke være noen endring i volumet som gassen okkuperte, og Karls lov ville mangle. I motsetning til en lufttett beholder, representerer stoffet til ønsket ballongene en mobil barriere, som er i stand til å ekspandere eller trekke seg sammen, avhengig av trykket som utøves av gassen inni.

Når ballongvevet utvides, forblir imidlertid det indre trykket i gassen konstant fordi området som dens partikler kolliderer over øker. Jo høyere temperatur på gassen, jo høyere er kinetisk energi til partiklene, og derfor antall kollisjoner.

Og når ballongen utvides igjen, forblir kollisjonene mot de indre veggene (ideelt) konstante.

Så jo varmere gassen er, jo større blir utvidelsen av ballongen og jo høyere vil den stige. Resultatet: rødlige (riktignok farlige) lys hengt på himmelen desembernetter.

Hva er Charles lov?

Uttalelse

Den såkalte Charles's Law eller Gay-Lussac's Law forklarer avhengigheten som eksisterer mellom volumet okkupert av en gass og verdien av dens absolutte temperatur eller Kelvin-temperatur.

Loven kan uttrykkes på følgende måte: hvis trykket forblir konstant, er det tilfreds med at “for en gitt masse av en gass øker den volumet med omtrent 1/273 ganger volumet ved 0 ºC, for hver grad av celsius ( 1 ºC) for å øke temperaturen ”.

Arbeidsplasser

Forskningsarbeidet som etablerte loven ble satt i gang på 1780-tallet av Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Charles publiserte imidlertid ikke resultatene av sine undersøkelser.

Senere klarte John Dalton i 1801 å eksperimentelt bestemme at alle gasser og damper, studert av ham, ekspanderer mellom to bestemte temperaturer i samme volummengde. Disse resultatene ble bekreftet av Gay-Lussac i 1802.

Forskningsarbeidene til Charles, Dalton og Gay-Lussac gjorde det mulig å konstatere at volumet som opptas av en gass og dens absolutte temperatur er direkte proporsjonalt. Derfor er det et lineært forhold mellom temperaturen og volumet til en gass.

Kurve

Graf over T vs V for en ideell gass. Kilde: Gabriel Bolívar.

Grafering (toppbilde) volumet til en gass mot temperatur gir en rett linje. Krysset mellom linjen og X-aksen, ved en temperatur på 0 ºC, gjør det mulig å oppnå volumet av gassen ved 0 ºC.

På samme måte ville skjæringspunktet mellom linjen og X-aksen gi informasjon om temperaturen som volumet okkupert av gassen ville være null "0". Dalton estimerte denne verdien til -266 ° C, nær Kelvins foreslåtte verdi for absolutt null (0).

Kelvin foreslo en temperaturskala hvis null skulle være temperaturen der en perfekt gass ville ha et volum på null. Men ved disse lave temperaturene blir gassene flytende.

Det er derfor det ikke er mulig å snakke om volum av gasser som sådan, ved å finne at verdien for absolutt null skal være -273,15 ºC.

Formler og måleenheter

formler

Charles lov i sin moderne versjon sier at volumet og temperaturen til en gass er direkte proporsjonal.

Så:

V / T = k

V = gassvolum. T = Kelvin-temperatur (K). k = proporsjonalitetskonstant.

For et volum V- ₁ og en temperatur T ₁

k = V ₁ / T ₁

På samme måte, for et volum V ₂ og en temperatur T ₂

k = V ₂ / T ₂

Deretter setter vi de to likningene for k vi har

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Denne formelen kan skrives som følger:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Løsning for V ₂ oppnås formelen:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

enheter

Volumet av gassen kan uttrykkes i liter eller i hvilken som helst av dens avledede enheter. Likeledes kan volumet uttrykkes i kubikk eller i en hvilken som helst avledet enhet. Temperaturen må uttrykkes i absolutt temperatur eller Kelvin-temperatur.

Så hvis temperaturene til en gass uttrykkes i grader celsius eller Celsius skala, for å utføre en beregning med dem, må mengden 273,15 ºC legges til temperaturene for å bringe dem til absolutte temperaturer eller kelvin.

Hvis temperaturene er uttrykt i grader Fahrenheit, ville 459,67 ºR måtte legges til disse temperaturene for å bringe dem til absolutte temperaturer i Rankine-skalaen.

En annen kjent formel for Charles's Law, og direkte relatert til uttalelsen, er følgende:

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

Hvor V _t er volumet opptatt av en gass ved en viss temperatur, uttrykt i liter, cm- ³ , osv.; og V _o er volumet som opptas av en gass ved 0 ºC. For sin del er t temperaturen som volumet måles på, uttrykt i grader celsius (ºC).

Og til slutt representerer 273 verdien av absolutt null på Kelvin temperaturskala.

Eksperiment for å bevise loven

Monterings

Sette opp eksperimentet for å demonstrere Charles's lov. Kilde: Gabriel Bolívar.

I en beholder med vann, som oppfylte funksjonen til et vannbad, ble en åpen sylinder plassert på toppen, med et stempel som passet til sylinderens indre vegg (øvre bilde).

Dette stempelet (består av stempelet og de to svarte basene) kunne bevege seg mot toppen eller bunnen av sylinderen avhengig av volumet av gass det inneholdt.

Vannbadet kunne varmes opp ved bruk av en brenner eller et varmeanlegg, som tilførte den nødvendige varmen for å øke temperaturen på badet og derfor temperaturen på sylinderen utstyrt med et stempel.

En bestemt masse ble plassert på stemplet for å sikre at eksperimentet ble utført ved konstant trykk. Temperaturen på badet og sylinderen ble målt ved å bruke et termometer plassert i vannbadet.

Selv om sylinderen sannsynligvis ikke hadde en gradering for å vise luftvolumet, kan dette estimeres ved å måle høyden nådd med massen som er plassert på stempelet og overflaten til sylinderen.

Utvikling

Volumet til en sylinder oppnås ved å multiplisere overflaten av basen med dens høyde. Overflaten på sylinderbunnen kunne oppnås ved å anvende formelen: S = Pi xr ² .

Mens høyden oppnås ved å måle avstanden fra basen på sylinderen, til den delen av stempelet som massen hviler på.

Da temperaturen på badet ble økt med varmen som ble produsert av lighteren, ble stempelet observert å stige i sylinderen. Deretter leste de på termometeret temperaturen i vannbadet, som tilsvarte temperaturen inne i sylinderen.

De målte også høyden på massen over stemplet, og kunne estimere volumet av luft som tilsvarte den målte temperaturen. På denne måten foretok de flere målinger av temperaturen og estimater av volumet av luft som tilsvarer hver av temperaturene.

Med dette var det endelig mulig å fastslå at volumet som en gass opptar er direkte proporsjonalt med temperaturen. Denne konklusjonen muliggjorde enunciasjon av den såkalte Charles Law.

Ballong med is om vinteren

I tillegg til forrige eksperiment, er det en enklere og mer kvalitativ: isballongen om vinteren.

Hvis en heliumfylt ballong ble plassert i et oppvarmet rom om vinteren, ville ballongen hatt et visst volum; Men hvis den senere ble flyttet utenfor huset med en lav temperatur, ville det observeres at heliumballongen krymper, og reduserte volumet i henhold til Charles's Law.

Løste øvelser

Oppgave 1

Det er en gass som opptar et volum på 750 cm ³ ved 25 ºC: hva vil være volumet som denne gassen opptar ved 37 ºC hvis trykket holdes konstant?

Det er først nødvendig å transformere enhetene til temperatur 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 variablene er kjent, løses og beregnes V ₂ med følgende ligning:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Oppgave 2

Hva ville være temperaturen i 3 ° C som 3 liter gass må varmes opp til 32 ºC, slik at volumet utvides til 3,2 liter?

Igjen blir grader Celsius transformert til kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

Og som i forrige 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 uttalelsen ber om grader Celsius, så enheten til T ₂ blir endret :

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

= 52,34 ºC

Oppgave 3

Hvis en gass ved 0 ºC opptar et volum på 50 cm ³ , hvilket volum vil den oppta ved 45 ºC?

Ved å bruke den opprinnelige formelen i Karls lov:

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

Vi fortsetter med å beregne V _t direkte når alle variablene er tilgjengelige:

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

= 58,24 cm ³

På den annen side, hvis problemet løses ved hjelp av strategien i eksemplene 1 og 2, vil vi ha:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ^3- / 273 K)

= 58,24 cm ³

Resultatet, å anvende de to prosedyrene, er det samme fordi de til syvende og sist er basert på det samme prinsippet i Charles lov.

applikasjoner

Ønsker ballonger

Ønskeballongene (allerede nevnt i innledningen) er utstyrt med et tekstilmateriale impregnert med en brennbar væske.

Når dette materialet er satt i brann, er det en økning i temperaturen i luften som er inne i ballongen, noe som medfører en økning i volumet av gassen i henhold til Charles lov.

Når volumet av luften i ballongen øker, reduseres derfor tettheten til luften i den, noe som blir mindre enn tettheten til den omkringliggende luften, og det er grunnen til at ballongen stiger.

Pop-up- eller kalkuntermometre

Som navnet tilsier, blir de brukt under matlaging av kalkuner. Termometeret har en luftfylt beholder lukket med lokk og er kalibrert på en slik måte at når den oppnår den optimale steketemperaturen, løftes lokket med en lyd.

Termometeret plasseres inne i kalkunen, og når temperaturen inne i ovnen øker, utvides luften inne i termometeret, og øker volumet. Når luftvolumet når en viss verdi, får han lokket til termometeret til å løfte seg.

Gjenopprette formen på ping-pong baller

Ping-pong baller, avhengig av kravene til bruken, er lette og plastveggene deres er tynne. Dette fører til at de blir deformasjoner når de blir truffet av racketene.

Ved å plassere de deformerte kulene i varmt vann, varmes luften inni og utvides, noe som fører til en økning i luftvolumet. Dette får også veggen til ping-pong-ballene til å strekke seg, slik at de kan komme tilbake til sin opprinnelige form.

Brødproduksjon

Gjær innarbeides i hvetemel som brukes til å lage brød og har evnen til å produsere karbondioksidgass.

Når temperaturen på brødene øker under bakingen, øker volumet av karbondioksid. Det er på grunn av dette at brødet utvides til det når ønsket volum.

referanser

1. Clark J. (2013). Andre gasslover - Boyle's Law og Charles 'Law. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Charles 'lov. Gjenopprettet fra: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Charles Law. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27. desember 2018). Hva er formelen for Charles 'lov? Gjenopprettet fra: thoughtco.com
5. Professor N. De Leon. (SF). Elementary Gas Laws: Charles Law. C 101 Merknader. Gjenopprettet fra: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Gjenopprettet fra: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fysiskkjemi for biologer. (2. ^da utgave). Redaksjonell Reverté, SA