LEGEA LUI CHARLES: FORMULE ȘI UNITĂȚI, EXPERIMENT, EXERCIȚII - CHIMIE - 2025

Legea lui Charles sau Guy-Lussac este una care permite afirmația unuia dintre proprietățile stare gazoasă: volumul ocupat de gaz este direct proporțională cu temperatura la presiune constantă.

Această proporționalitate este liniară pentru toate intervalele de temperatură dacă gazul respectiv este ideal; gazele reale, pe de altă parte, deviază de tendința liniară la temperaturi apropiate de punctul lor de rouă. Cu toate acestea, acest lucru nu a limitat utilizarea acestei legi pentru o multitudine de cereri care implică gaze.

Lanterne chinezești sau doresc baloane. Sursa: Pxhere.

Una dintre aplicațiile chintesențiale ale legii lui Charles este în baloanele aeriene. Alte baloane mai simple, cum ar fi baloanele doritoare, numite și felinare chinezești (imaginea de sus), dezvăluie relația dintre volum și temperatura unui gaz la presiune constantă.

De ce la presiune constantă? Deoarece, dacă presiunea ar crește, ar însemna că recipientul în care se află gazul este închis ermetic; și cu aceasta, coliziunile sau impacturile particulelor gazoase împotriva pereților interiori ai containerului respectiv ar crește (legea Boyle-Mariotte).

Prin urmare, nu ar exista nicio modificare a volumului ocupat de gaz, iar legea lui Charles ar lipsi. Spre deosebire de un recipient etanș, țesătura baloanelor doritoare reprezintă o barieră mobilă, capabilă să se extindă sau să se contracte în funcție de presiunea exercitată de gazul din interior.

Cu toate acestea, pe măsură ce țesutul balon se extinde, presiunea internă a gazului rămâne constantă, deoarece zona peste care se ciocnesc particulele sale crește. Cu cât temperatura gazului este mai mare, cu atât energia cinetică a particulelor este mai mare și, prin urmare, numărul de coliziuni.

Și pe măsură ce balonul se extinde din nou, coliziunile împotriva pereților interiori rămân (ideal) constante.

Deci, cu cât este mai fierbinte gazul, cu atât este mai mare expansiunea balonului și cu atât va crește. Rezultatul: luminile roșiatice (deși periculoase) suspendate pe cer în noaptea de decembrie.

Care este legea lui Charles?

Afirmație

Așa-numita Lege a lui Charles sau Legea lui Gay-Lussac explică dependența care există între volumul ocupat de un gaz și valoarea temperaturii sale absolute sau a temperaturii Kelvin.

Legea poate fi menționată în felul următor: dacă presiunea rămâne constantă, este convins că „pentru o masă dată de gaz, își crește volumul cu aproximativ 1/273 ori volumul său la 0 ºC, pentru fiecare grad centigrad ( 1 ºC) pentru a-și crește temperatura ”.

Locuri de munca

Lucrarea de cercetare care a stabilit legea a fost inițiată în anii 1780 de către Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Cu toate acestea, Charles nu a publicat rezultatele investigațiilor sale.

Mai târziu, John Dalton în 1801 a reușit să stabilească experimental că toate gazele și vaporii, studiați de el, se extind între două temperaturi determinate în aceeași cantitate de volum. Aceste rezultate au fost confirmate de Gay-Lussac în 1802.

Lucrările de cercetare ale lui Charles, Dalton și Gay-Lussac au permis să stabilească că volumul ocupat de un gaz și temperatura absolută a acestuia sunt direct proporționale. Prin urmare, există o relație liniară între temperatura și volumul unui gaz.

Grafic

Graficul T vs V pentru un gaz ideal. Sursa: Gabriel Bolívar.

Graficând (imaginea de sus) volumul unui gaz împotriva temperaturii produce o linie dreaptă. Intersecția liniei cu axa X, la temperatura de 0ºC, permite obținerea volumului gazului la 0ºC.

De asemenea, intersecția liniei cu axa X ar da informații despre temperatura pentru care volumul ocupat de gaz ar fi zero „0”. Dalton a estimat această valoare la -266 ° C, aproape de valoarea sugerată de Kelvin pentru zero absolut (0).

Kelvin a propus o scară de temperatură al cărei zero ar trebui să fie temperatura la care un gaz perfect ar avea un volum de zero. Dar la aceste temperaturi scăzute, gazele sunt lichefiate.

De aceea, nu este posibil să vorbim despre volume de gaze ca atare, constatând că valoarea pentru zero absolut ar trebui să fie -273,15 ºC.

Formule și unități de măsură

Formulele

Legea lui Charles în versiunea sa modernă prevede că volumul și temperatura unui gaz sunt direct proporționale.

Asa de:

V / T = k

V = volumul de gaz. T = temperatura Kelvin (K). k = constanta de proportionalitate.

Pentru un volum V ₁ și o temperatură T ₁

k = V ₁ / T ₁

De asemenea, pentru un volum V ₂ și o temperatură T ₂

k = V ₂ / T ₂

Apoi, echivalând cele două ecuații pentru k avem

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Această formulă poate fi scrisă după cum urmează:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Rezolvarea pentru V ₂ , se obține cu formula:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Unități

Volumul gazului poate fi exprimat în litri sau în oricare dintre unitățile sale derivate. De asemenea, volumul poate fi exprimat în metri cubi sau în orice unitate derivată. Temperatura trebuie exprimată în temperatură absolută sau temperatură Kelvin.

Deci, dacă temperaturile unui gaz sunt exprimate în grade centigrade sau la scala Celsius, pentru a efectua un calcul cu acestea, ar trebui adăugată cantitatea de 273,15 ºC la temperaturi, pentru a le aduce la temperaturi absolute sau kelvin.

Dacă temperaturile sunt exprimate în grade Fahrenheit, ar trebui să se adauge 459,67 ºR la aceste temperaturi, pentru a le aduce la temperaturi absolute pe scara Rankine.

O altă formulă binecunoscută a Legii lui Charles și legată direct de afirmația acesteia este următoarea:

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

În cazul în care _Vt este volumul ocupat de un gaz la o anumită temperatură, exprimat în litri, cm ³ , etc .; iar V _o este volumul ocupat de un gaz la 0 ºC. La rândul său, t este temperatura la care se măsoară volumul, exprimată în grade centigrade (ºC).

Și în sfârșit, 273 reprezintă valoarea zero absolut pe scara temperaturii Kelvin.

Experiment pentru dovedirea legii

Montare

Configurarea experimentului pentru a demonstra legea lui Charles. Sursa: Gabriel Bolívar.

Într-un recipient cu apă, care îndeplinea funcția de baie de apă, a fost amplasat un cilindru deschis în partea superioară a acestuia, cu un plonjator care se fixa pe peretele interior al cilindrului (imaginea superioară).

Acest piston (format din piston și cele două baze negre) s-ar putea deplasa spre partea superioară sau inferioară a cilindrului, în funcție de volumul de gaz conținut.

Baia de apă poate fi încălzită folosind un arzător sau o instalație de încălzire, care furnizează căldura necesară pentru a crește temperatura băii și, prin urmare, temperatura cilindrului echipat cu un piston.

O masă determinată a fost plasată pe piston pentru a se asigura că experimentul a fost efectuat la presiune constantă. Temperatura băii și cilindrul au fost măsurate cu ajutorul unui termometru plasat în baia cu apă.

Deși probabil că cilindrul nu avea o absolvire pentru a afișa volumul de aer, acest lucru ar putea fi estimat prin măsurarea înălțimii masei pe piston și a suprafeței bazei cilindrului.

Dezvoltare

Volumul unui cilindru este obținut prin înmulțirea suprafeței bazei sale cu înălțimea sa. Suprafața bazei cilindrului poate fi obținută prin aplicarea formulei: S = Pi xr ² .

În timp ce înălțimea este obținută prin măsurarea distanței de la baza cilindrului, până la partea pistonului pe care se sprijină masa.

Pe măsură ce temperatura băii a fost crescută de căldura produsă de bricheta, s-a observat că pistonul se ridică în interiorul cilindrului. Apoi, au citit pe termometru temperatura din baia de apă, care a corespuns la temperatura din interiorul cilindrului.

De asemenea, au măsurat înălțimea masei deasupra plonjorului, putând estima volumul de aer care corespundea temperaturii măsurate. În acest fel, au făcut mai multe măsurători ale temperaturii și estimări ale volumului de aer corespunzător fiecăreia dintre temperaturi.

Prin aceasta, a fost în cele din urmă posibil să se stabilească că volumul pe care îl ocupă un gaz este direct proporțional cu temperatura sa. Această concluzie a permis enunțarea așa-numitei legi Charles.

Balon cu gheață iarna

Pe lângă experimentul precedent, există unul mai simplu și mai calitativ: cel al balonului cu gheață în timpul iernii.

Dacă un balon umplut cu heliu ar fi fost așezat iarna într-o cameră încălzită, balonul ar avea un anumit volum; Dar, dacă ulterior ar fi mutat în afara casei cu o temperatură scăzută, s-ar observa că balonul de heliu se micșorează, reducându-și volumul conform Legii lui Charles.

Exerciții rezolvate

Exercitiul 1

Există un gaz care ocupă un volum de 750 cm ³ la 25 ° C: ce va fi volumul pe care acest gaz ocupă la 37 ° C , dacă presiunea este menținută constantă?

Este necesar mai întâi să transformăm unitățile de temperatură în kelvin:

T ₁ în grade Kelvin = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T ₂ în grade Kelvin = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

Deoarece V ₁ și celelalte variabile sunt cunoscute, V ₂ este rezolvată și calculată cu următoarea ecuație:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Exercițiul 2

Care ar fi temperatura în grade centigrade la care 3 litri de gaz ar trebui să fie încălziți la 32ºC, astfel încât volumul său să se extindă la 3,2 litri?

Din nou, gradele centigrade sunt transformate în kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

Și ca în exercițiul precedent, rezolvăm pentru T ₂ în loc de V ₂ și se calculează mai jos:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Însă afirmația solicită grade centigrade, deci unitatea T ₂ este schimbată :

T ₂ în grade centigrade = 325, 49 ºC (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ºC

Exercițiul 3

Dacă un gaz la 0ºC ocupă un volum de 50 cm ³ , ce volum va ocupa la 45ºC?

Folosind formula inițială a legii lui Charles:

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

Procedăm să calculăm V _t direct atunci când toate variabilele sunt disponibile:

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

= 58,24 cm ³

Pe de altă parte, dacă problema este rezolvată folosind strategia exemplelor 1 și 2, vom avea:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm cu ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Rezultatul, aplicând cele două proceduri, este același, deoarece, în final, se bazează pe același principiu al legii lui Charles.

Aplicații

Îi doresc baloane

Baloanele dorite (menționate deja în introducere) sunt prevăzute cu un material textil impregnat cu un lichid combustibil.

Atunci când acest material este aprins, există o creștere a temperaturii aerului conținut în balon, ceea ce determină o creștere a volumului gazului conform legii lui Charles.

Prin urmare, pe măsură ce volumul de aer din balon crește, densitatea aerului din balon scade, ceea ce devine mai mic decât densitatea aerului din jur și de aceea balonul se ridică.

Pop-Up sau termometre turkey

După cum indică numele lor, acestea sunt utilizate în timpul gătit curcanilor. Termometrul are un recipient umplut cu aer închis cu un capac și este calibrat astfel încât la atingerea temperaturii optime de gătit, capacul să fie ridicat cu un sunet.

Termometrul este plasat în interiorul curcanului, iar pe măsură ce temperatura din interiorul cuptorului crește, aerul din interiorul termometrului se extinde, crescând volumul acestuia. Apoi, când volumul de aer atinge o anumită valoare, el face ca capacul termometrului să fie ridicat.

Restabilirea formei bilelor de ping-pong

Bilele de ping-pong, în funcție de cerințele de utilizare ale acestora, sunt ușoare în greutate, iar pereții lor din plastic sunt subțiri. Acest lucru face ca atunci când sunt lovite de rachete să sufere deformări.

Prin plasarea bilelor deformate în apă fierbinte, aerul din interior se încălzește și se extinde, ceea ce duce la o creștere a volumului de aer. De asemenea, acest lucru face ca peretele bilelor de ping-pong să se întindă, permițându-le să revină la forma inițială.

Fabricarea pâinii

Drojdiile sunt încorporate în făina de grâu care este folosită pentru a face pâine și au capacitatea de a produce gaz dioxid de carbon.

Pe măsură ce temperatura pâinii crește în timpul coacerii, volumul de dioxid de carbon crește. Din această cauză, pâinea se extinde până când ajunge la volumul dorit.

Referințe

1. Clark J. (2013). Alte legi privind gazele - Legea lui Boyle și Legea lui Charles. Recuperat din: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Legea lui Charles. Recuperat de la: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Charles Law. Recuperat de la: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27 decembrie 2018). Care este Formula Legii lui Charles? Recuperat de la: thinkco.com
5. Prof. N. De Leon. (Sf). Legile elementare privind gazele: Charles. Note de clasă C 101. Recuperat din: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Recuperat de la: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fizicochimie pentru biologi. ( Ediția 2 ^da ). Editorial Reverté, SA