ЗАКОН ЧАРЛЬЗА: ФОРМУЛИ ТА ОДИНИЦІ, ЕКСПЕРИМЕНТ, ВПРАВИ - ХІМІЯ - 2025

Закон Чарльза або Г-Люссак це той , який дозволяє висловлювання одного з властивостей газоподібного стану: обсяг , яку він обіймав від газу прямо пропорційна температурою при постійному тиску.

Ця пропорційність лінійна для всіх діапазонів температур, якщо газ, про який йде мова, ідеальний; реальні гази, з іншого боку, відхиляються від лінійної тенденції при температурі поблизу точки їх роси. Однак це не обмежує використання цього закону для безлічі застосувань, що містять гази.

Китайські ліхтарі або повітряні кулі. Джерело: Pxhere.

Одне з найбільш важливих застосувань закону Карла - у повітряних кулях. Інші простіші кулі, такі як повітряні кульки, які також називаються китайськими ліхтарями (верхнє зображення), виявляють залежність між об'ємом і температурою газу при постійному тиску.

Чому при постійному тиску? Тому що якби тиск зростав, це означало б, що ємність, де знаходиться газ, герметично закрита; і з цим посилюються зіткнення або удари газоподібних частинок об внутрішні стінки контейнера (закон Бойля-Маріотта).

Тому зміни обсягу, зайнятого газом, не було б, і закону Чарльза бракувало б. На відміну від герметичного контейнера, тканина балонних балончиків являє собою рухливий бар'єр, здатний розширюватися або стискатися залежно від тиску, який чинить газ всередині.

Однак у міру розростання балонної тканини внутрішній тиск газу залишається постійним, оскільки площа, над якою стикаються його частинки, збільшується. Чим вище температура газу, тим вища кінетична енергія частинок, а отже, і кількість зіткнень.

І коли повітряна куля знову розширюється, зіткнення проти її внутрішніх стінок залишаються (в ідеалі) постійними.

Так чим гарячіший газ, тим більше розширення повітряної кулі і тим вище вона підніметься. Результат: червоні (хоч і небезпечні) вогні, вивішені на небі в грудні ночі.

Що таке закон Чарльза?

Заява

Так званий закон Чарльза або закон Гей-Люссака пояснює залежність, що існує між об'ємом газу, зайнятим газом, і значенням його абсолютної температури або температури Кельвіна.

Закон можна викласти наступним чином: якщо тиск залишається постійним, то вважається, що "для даної маси газу він збільшує його об'єм приблизно на 1/273 рази більше його об'єму при 0 ° С для кожного градуса Цельсія ( 1 ° C) для підвищення температури ».

Вакансії

Дослідницька робота, яка встановила закон, була розпочата в 1780-х роках Жаксом Олександром Сезаром Чарльзом (1746-1823). Однак Чарльз не опублікував результати своїх розслідувань.

Пізніше Джон Далтон в 1801 р. Зумів експериментально визначити, що всі досліджені ним гази та пари розширюються між двома визначеними температурами в однаковій об’ємній кількості. Ці результати підтвердив Гей-Люссак у 1802 році.

Дослідницькі роботи Чарльза, Далтона та Гей-Люссака дозволили встановити, що об’єм, зайнятий газом, та його абсолютна температура прямо пропорційні. Отже, існує лінійна залежність між температурою та об'ємом газу.

Графік

Графік Т проти V для ідеального газу. Джерело: Габріель Болівар.

Графікуючи (верхнє зображення) об'єму газу проти температури, виходить пряма лінія. Перетин лінії з віссю X при температурі 0ºC дозволяє отримати об’єм газу при 0ºC.

Так само перетин лінії з віссю X давав би інформацію про температуру, для якої об'єм, зайнятий газом, дорівнював би нулю "0". Далтон оцінив це значення в -266 ° C, близьке до запропонованого Кельвіном значення для абсолютного нуля (0).

Кельвін запропонував шкалу температури, нуль якої повинна бути температурою, при якій ідеальний газ мав би обсяг нуля. Але при цих низьких температурах гази зріджуються.

Ось чому не можна говорити про обсяги газів як таких, виявивши, що значення для абсолютного нуля має бути -273,15 ºC.

Формули та одиниці вимірювання

Формули

Закон Чарльза в його сучасній редакції зазначає, що об'єм і температура газу прямо пропорційні.

Так:

V / T = k

V = об'єм газу. Т = температура Кельвіна (К). k = константа пропорційності.

Для об'єму V ₁ і температури T ₁

k = V ₁ / T ₁

Аналогічно для об'єму V ₂ і температури T ₂

k = V ₂ / T ₂

Потім, рівняючи два рівняння для k, маємо

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Цю формулу можна записати так:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Вирішуючи для V ₂ , формулу отримують:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Одиниці

Об'єм газу може бути виражений у літрах або в будь-яких його похідних одиницях. Так само об'єм може бути виражений у кубічних метрах або в будь-якій похідній одиниці. Температура повинна бути виражена в абсолютній температурі або температурі Кельвіна.

Отже, якщо температури газу виражаються в градусах Цельсія або за шкалою Цельсія, для проведення розрахунку з ними потрібно було б додати температуру 273,15 ° С, щоб довести їх до абсолютних температур або кельвінів.

Якщо температури виражаються в градусах Фаренгейта, потрібно було б додати до цих температур 459,67 ºR, щоб довести їх до абсолютних температур за шкалою Ранкіна.

Ще одна відома формула Закону Карла, безпосередньо пов'язана з його твердженням, така:

V _t = V _або (1 + t / 273)

Де V _t - об'єм, зайнятий газом при певній температурі, виражений у літрах, см ³ тощо; і V _o - об'єм, зайнятий газом при 0 ° С. Зі свого боку, t - температура, при якій вимірюється об'єм, виражена у градусах Цельсія (ºC).

І нарешті, 273 представляє значення абсолютного нуля за шкалою температури Кельвіна.

Експериментуйте, щоб довести закон

Монтаж

Налаштування експерименту для демонстрації закону Чарльза. Джерело: Габріель Болівар.

У ємності з водою, яка виконувала функцію водяної бані, на її верхній частині розміщували відкритий циліндр, з плунжером, який прилаштовувався до внутрішньої стінки циліндра (верхнє зображення).

Цей поршень (складений з поршня та двох чорних підстав) міг рухатись у напрямку до верхньої чи нижньої частини циліндра залежно від об'єму газу, який він містив.

Водяну баню можна було нагріти за допомогою пальника або опалювальної установки, яка подавала необхідне тепло для підвищення температури ванни і, отже, температури циліндра, оснащеного плунжером.

Визначена маса була розміщена на плунжері для того, щоб забезпечити проведення експерименту при постійному тиску. Температуру ванни та циліндра вимірювали за допомогою термометра, розміщеного на водяній бані.

Незважаючи на те, що циліндр, ймовірно, не мав градації для відображення обсягу повітря, це можна було оцінити, вимірявши висоту, досягнуту масою, розміщеною на поршні, і поверхнею основи циліндра.

Розвиток

Об'єм циліндра виходить шляхом множення площі поверхні його основи на його висоту. Поверхня основи циліндра можна отримати, застосовуючи формулу: S = Pi xr ² .

У той час як висота виходить шляхом вимірювання відстані від основи циліндра, до тієї частини поршня, на якій маса опирається.

Оскільки температура ванни збільшувалася за рахунок тепла, випромінюваного запальничкою, спостерігалося підвищення плунжера в балоні. Потім вони прочитали на термометрі температуру на водяній бані, яка відповідала температурі всередині балона.

Вони також вимірювали висоту маси над плунжером, маючи можливість оцінити об'єм повітря, який відповідав вимірюваній температурі. Таким чином вони зробили кілька вимірювань температури та оцінку обсягу повітря, що відповідає кожній із температур.

З цим, нарешті, вдалося встановити, що об'єм, який займає газ, прямо пропорційний його температурі. Цей висновок дозволив проголосити так званий закон Карла.

Повітряна куля з льодом взимку

Окрім попереднього експерименту, існує більш простий та якісний: балон із льодом взимку.

Якби балон, наповнений гелієм, поміщався в опалюваному приміщенні взимку, повітряна куля мала б певний об'єм; Але, якби його згодом перенесли за межі будинку з низькою температурою, було б помічено, що балон з гелієм стискається, зменшуючи його обсяг згідно із Законом Карла.

Розв’язані вправи

Вправа 1

Існує газ, який займає об'єм 750 см ³ при 25 ° С: який буде об'єм, який цей газ займає при 37 ° С, якщо тиск буде постійним?

Потрібно спочатку перетворити одиниці температури в кельвін:

T ₁ в градусах Кельвіна = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 К

T ₂ в градусах Кельвіна = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 К

Оскільки V ₁ та інші змінні відомі, V ₂ вирішується і обчислюється наступним рівнянням:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 см ³ (310,15 К / 298,15 К)

= 780,86 см ³

Вправа 2

Якою буде температура в градусах Цельсія, до якої 3 літри газу потрібно було б нагріти до 32 ° C, щоб його об'єм розширився до 3,2 літра?

Знову градуси градуса перетворюються на кельвін:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 К

Як і в попередній вправі, ми вирішуємо для T ₂ замість V ₂ , і вона обчислюється нижче:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 л · (305,15 К / 3 л)

= 325,49 К

Але заява просить градусів Цельсія, тому одиниця T ₂ змінюється :

T ₂ в градусах Цельсія = 325, 49 º C (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ºC

Вправа 3

Якщо газ при 0 ° С займає об’єм 50 см ³ , який об’єм він буде займати при 45 ° С?

Використовуючи оригінальну формулу закону Карла:

V _t = V _або (1 + t / 273)

Переходимо до обчислення V _t безпосередньо, коли всі змінні доступні:

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

= 58,24 см ³

З іншого боку, якщо проблема буде вирішена за допомогою стратегії прикладів 1 і 2, у нас буде:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 см ³ /273 К)

= 58,24 см ³

Результат, застосовуючи дві процедури, однаковий, оскільки в кінцевому рахунку вони базуються на одному принципі закону Карла.

Програми

Побажайте повітряні кулі

Повітряні кулі (вже згадувані у вступі) забезпечені текстильним матеріалом, просоченим горючою рідиною.

Коли цей матеріал підпалений, відбувається підвищення температури повітря, що міститься в балоні, що спричиняє збільшення обсягу газу за законом Чарльза.

Тому в міру збільшення об’єму повітря в балоні щільність повітря в ньому зменшується, яка стає меншою, ніж щільність навколишнього повітря, і саме тому повітряна куля піднімається.

Термометри для спливаючих вікон або індички

Як вказує їх назва, їх використовують під час варіння індичок. Термометр має наповнену повітрям ємність, наповнену кришкою, і калібрується таким чином, що при досягненні оптимальної температури варіння кришка піднімається звуком.

Термометр розміщується всередині індички, і при збільшенні температури всередині духовки повітря всередині термометра розширюється, збільшуючи його об’єм. Потім, коли об'єм повітря досягає певного значення, він робить кришку підйомника термометра.

Відновлення форми кульок для пінг-понгу

Кульки для пінг-понгу, залежно від вимог їх використання, мають невелику вагу і їх пластикові стінки тонкі. Це призводить до того, що при ударі ракетками вони зазнають деформацій.

Поміщаючи деформовані кульки в гарячу воду, повітря всередині нагрівається і розширюється, що призводить до збільшення об’єму повітря. Це також призводить до розтягування стінки кульок для пінг-понгу, що дозволяє повернутись до початкової форми.

Виготовлення хліба

Дріжджі вбудовані в пшеничне борошно, яке використовується для приготування хліба і має здатність виробляти вуглекислий газ.

Зі збільшенням температури батонів під час випікання збільшується об'єм вуглекислого газу. Саме через це хліб розширюється до досягнення бажаного обсягу.

Список літератури

1. Кларк Дж. (2013). Інші газові закони - Закон Бойла та Закон Чарльза. Відновлено з: chemguide.co.uk
2. Старощик Андрій. (2018). Закон Карла. Відновлено з: scienceprimer.com
3. Вікіпедія. (2019). Закон Чарльза. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Гельменстін, Тодд. (27 грудня 2018 р.). Яка формула закону Чарльза? Відновлено з: thinkco.com
5. Професор Н. Де Леон. (sf). Елементарні газові закони: закон Чарльза. C 101 Примітки до класу. Відновлено з: iun.edu
6. Брісенньо Габріела. (2018). Закон Чарльза. Відновлено з: euston96.com
7. Морріс, Дж. Дж. (1974). Фізикохімія для біологів. (2 - ^так -е видання). Редакція Reverté, SA