ЧАРЛСОВ ЗАКОН: ФОРМУЛЕ И ЈЕДИНИЦЕ, ЕКСПЕРИМЕНТ, ВЕЖБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Закон Цхарлес или Гуи-Луссац је онај који омогућава изјаву једног од особина гасовитом стању: запремина коју заузима од гаса је директно пропорционална температури у сталним притиском.

Ова пропорционалност је линеарна за сва подручја температуре ако је дотични гас идеалан; реални гасови, с друге стране, одступају од линеарног тренда на температурама близу њихове тачке росе. Међутим, ово није ограничило употребу овог закона за безброј апликација које укључују гасове.

Кинески фењери или балони. Извор: Пкхере.

Једна од најважнијих примјена Карловог закона је у балонима. Други једноставнији балони, попут балона за жеље, који се називају и кинески фењери (горња слика), откривају однос између запремине и температуре гаса при константном притиску.

Зашто под сталним притиском? Јер ако би се притисак повећао, то би значило да је спремник у коме се налази гас херметички затворен; и са тим, сударе или ударци гасовитих честица на унутрашње зидове спремника би се повећавали (Боиле-Мариотте закон).

Стога не би дошло до промене запремине коју заузима гас, а недостаје и Чарлсов закон. За разлику од херметички затвореног спремника, тканина балона са жељама представља покретну баријеру, способну да се шири или сажима у зависности од притиска који гас ствара унутра.

Међутим, како се ткиво балона шири, унутрашњи притисак гаса остаје константан јер се повећава површина преко које се сударају његове честице. Што је већа температура гаса, већа је кинетичка енергија честица, а самим тим и број судара.

И како се балон поново шири, судари о његовим унутрашњим зидовима остају (у идеалном случају) константни.

Дакле, топлији је гас, веће је ширење балона и то ће он бити већи. Резултат: црвенкаста (иако опасна) светла у децембарским ноћима висјела на небу.

Шта је Карлов закон?

Изјава

Такозвани Цхарлесов закон или Гаи-Луссацов закон објашњава зависност која постоји између запремине коју заузима гас и вредности његове апсолутне температуре или температуре Келвина.

Закон се може извести на следећи начин: ако притисак остане константан, сматра се да „за дату масу гаса повећава запремину за отприлике 1/273 пута већу запремину од 0 ºЦ, за сваки степен Целзијуса ( 1 ° Ц) да повисите температуру “.

Послови

Истраживачки рад којим је успостављен закон покренуо је 1780-их Јацкуес Алекандер Цесар Цхарлес (1746-1823). Међутим, Цхарлес није објавио резултате својих истрага.

Касније је Јохн Далтон 1801. успео да експериментално утврди да се сви гасови и паре, које је он проучавао, проширују између две утврђене температуре у истој запреминској количини. Ове резултате је потврдио Гаи-Луссац 1802.

Истраживачки радови Цхарлеса, Далтона и Гаи-Луссаца омогућили су да се утврди да су запремина гаса и његова апсолутна температура директно пропорционални. Због тога постоји линеарна веза између температуре и запремине гаса.

Графикон

Графикон Т-В за идеалан гас. Извор: Габриел Боливар.

Графиковањем (горња слика) волумена гаса према температури ствара се равна линија. Пресјек линије са оси Кс, при температури од 0 ° Ц, омогућава добијање запремине гаса на 0 ° Ц.

Исто тако, пресек линије са осе Кс дао би информацију о температури за коју би запремина гаса била једнака нули "0". Далтон је проценио ову вредност на -266 ° Ц, што је близу Келвинове препоручене вредности за апсолутну нулу (0).

Келвин је предложио температурну скалу чија нула треба да буде температура на којој би савршени гас имао запремину нула. Али при овим ниским температурама гасови се укапљују.

Због тога није могуће говорити о количинама гасова као таквих, проналазећи да вредност за апсолутну нулу треба да буде -273,15 ° Ц.

Формуле и мере мере

Формуле

Чарлсов закон у својој модерној верзији каже да су запремина и температура гаса директно пропорционални.

Тако:

В / Т = к

В = запремина гаса. Т = Келвинска температура (К). к = константа пропорционалности.

За запремине В ₁ и на температури Т ₁

к = В ₁ / Т ₁

Исто тако, за запремине В ₂ и на температури Т ₂

к = В ₂ / Т ₂

Затим, изједначавање две једначине за к имамо

В ₁ / Т ₁ = В ₂ / Т ₂

Ова формула се може написати на следећи начин:

В ₁ Т ₂ = В ₂ Т ₁

Решавањем В ₂ , формула добија:

В ₂ = В ₁ Т ₂ / Т ₁

Јединице

Запремина гаса може се изразити у литрама или у било којој од његових изведених јединица. Исто тако, запремина се може изразити у кубичним метрима или у било којој изведеној јединици. Температура мора бити изражена у апсолутној температури или температури Келвина.

Дакле, ако су температуре гаса изражене у степени целзијуса или Целзијусове скале, да би се с њима извршио прорачун, треба додати температурама 273,15 ° Ц, како би се оне довеле до апсолутних температура или келвина.

Ако су температуре изражене у степенима Фаренхајта, тим температурама би требало додати 459,67 ºР, како би се оне довеле до апсолутних температура на скали Ранкеа.

Друга позната формула Цхарлесовог закона, а која је директно повезана са његовом изјавом, је следећа:

В _т = В _или (1 + т / 273)

Где је В _т запремина коју гас заузима при одређеној температури, изражена у литрима, цм ³ , итд .; и В _о је запремина коју гас заузима 0 ° Ц. Са своје стране, т је температура на којој се мери запремина, изражена у степени целзијуса (ºЦ).

И на крају, 273 представља вредност апсолутне нуле на Келвиновој температурној скали.

Експериментирајте да докажете закон

Монтажа

Постављање експеримента за показивање Цхарлесовог закона. Извор: Габриел Боливар.

У посуди са водом, која је испунила функцију водене купељи, на њен врх је постављен отворени цилиндар, са клипом који се постављао на унутрашњу стијенку цилиндра (горња слика).

Овај клип (који се састоји од клипа и две црне базе) може се кретати према врху или дну цилиндра у зависности од запремине гаса који садржи.

Водена купељ може се загревати употребом горионика или постројења за грејање, која је доводила потребну топлоту за повећање температуре каде и самим тим и температуру цилиндра опремљеног клипом.

Одређена маса је стављена на клип да би се осигурало да се експеримент изводи под константним притиском. Температура купке и цилиндра је мерена коришћењем термометра постављеног у водену купељ.

Иако цилиндар вероватно није имао степен за приказивање запремине ваздуха, то се може проценити мерењем висине достигнуте масе постављеном на клипу и површини базе цилиндра.

Развој

Запремина цилиндра добијена је множењем површине базе са његовом висином. Површина базе цилиндра може се добити применом формуле: С = Пи кр ² .

Док се висина постиже мерењем растојања од базе цилиндра, до дела клипа на коме маса почива.

Како се температура купке повећавала топлином коју производи упаљач, примећено је да клип расте у цилиндру. Затим су на термометру прочитали температуру у воденој купељи, која је одговарала температури унутар цилиндра.

Такође су измерили висину масе изнад клипа, омогућавајући процену запремине ваздуха која одговара измереној температури. На овај начин обавили су неколико мерења температуре и проценили запремину ваздуха која одговара свакој од температура.

Са овим је коначно било могуће утврдити да је запремина коју гас заузима директно пропорционална његовој температури. Овај закључак омогућио је да се изрази такозвани Карлов закон.

Балон са ледом зими

Поред претходног експеримента, постоји и једноставнији и квалитативнији: ледени балон зими.

Ако би се балон напуњен хелијем зими ставио у грејну просторију, балон би имао одређену запремину; Али, ако би се касније премештао ван куће са ниском температуром, приметили би да се балон хелијума смањује, смањујући запремину према Цхарлесовом закону.

Решене вежбе

Вежба 1

Постоји гас који заузима запремину од 750 цм ³ на 25 ° Ц: колика ће бити запремина овог гаса на 37 ° Ц ако је притисак константан?

Прво је потребно трансформисати јединице температуре у келвин:

Т ₁ у степенима Келвина = 25 ° Ц + 273,15 ° Ц = 298,15 К

Т ₂ у степени Келвина = 37 ° Ц + 273,15 ° Ц = 310,15 К

Будући В ₁ су познати а остале променљиве, В ₂ је решен и израчунава следећом једначином:

В ₂ = В ₁ · (Т ₂ / Т ₁ )

= 750 цм ³ (310,15 К / 298,15 К)

= 780,86 цм ³

Вежба 2

Колика би била температура у степени целзијума до којих би 3 литре гаса требало да се загреју на 32 ° Ц, тако да се његова запремина шири на 3,2 литре?

Опет, степени целзијуса се трансформишу у келвин:

Т. ₁ = 32 ºЦ + 273.15 сЦ = 305.15 к

И као у претходној вежби, решимо за Т ₂ уместо В ₂ , и то се рачуна у наставку:

Т ₂ = В ₂ · (Т ₁ / В ₁ )

= 3,2 Л · (305,15 К / 3 Л)

= 325,49 К

Али изјава тражи степени Целзијуса, тако да је јединица Т ₂ мења :

Т ₂ у степени Целзијуса = 325, 49 º Ц (К) - 273,15 ºЦ (К)

= 52,34 ° Ц

Вежба 3

Ако гас на 0 ° Ц заузима запремину од 50 цм ³ , коју запремину ће заузети на 45 ° Ц?

Користећи оригиналну формулу Чарлсовог закона:

В _т = В _или (1 + т / 273)

Настављамо да израчуна В _т директно када су доступне све варијабле:

В _т = 50 цм ³ + 50 цм ³ (45 ° Ц / 273 ° Ц (К))

= 58,24 цм ³

С друге стране, ако се проблем реши коришћењем стратегије из примера 1 и 2, имаћемо:

В ₂ = В ₁ · (Т ₂ / Т ₁ )

= 318 к · (50 см ³ /273 к)

= 58,24 цм ³

Резултат примене две процедуре је исти јер се на крају заснивају на истом принципу Чарлсовог закона.

Апликације

Пожелите балоне

Жељени балони (већ споменути у уводу) опремљени су текстилним материјалом импрегнираним запаљивом течношћу.

Када се овај материјал запали, долази до повећања температуре ваздуха садржаног у балону, што узрокује повећање запремине гаса према Цхарлесовом закону.

Због тога, како се запремина ваздуха у балону повећава, густина ваздуха у њему опада, која постаје мања од густине околног ваздуха, и зато се балон подиже.

Поп-уп или турски термометри

Као што им име каже, користе се током кувања ћурки. Термометар има посуду напуњену ваздухом затворену поклопцем и калибрира се тако да се, након постизања оптималне температуре печења, поклопац подигне са звуком.

Термометар се поставља унутар ћуретине, а како се температура у рерни повећава, ваздух у термометру се шири, повећавајући запремину. Тада када запремина ваздуха достигне одређену вредност, направи поклопац дизалице термометра.

Враћање облика куглица за пинг понг

Куглице за пинг-понг, зависно од захтева њихове употребе, мале су тежине и пластични зидови су танки. То узрокује да приликом удара рекета трпе деформације.

Стављањем деформисаних куглица у врућу воду, ваздух се загрева и шири, што доводи до повећања запремине ваздуха. Ово такође узрокује истезање зида пинг-понг куглица, омогућавајући им повратак у првобитни облик.

Израда хлеба

Квасци су уграђени у пшенично брашно које се користи за прављење хлеба и има могућност производње гаса угљендиоксида.

Како се температура крухова повећава током печења, повећава се и количина угљен-диоксида. Због тога се хлеб шири све док не постигне жељену запремину.

Референце

1. Цларк Ј. (2013). Остали закони о гасу - Боилеов и Цхарлесов закон. Опоравак од: цхемгуиде.цо.ук
2. Старосцик Андрев. (2018). Цхарлесов закон. Опоравак од: сциенцепример.цом
3. Википедиа. (2019). Цхарлес Лав. Опоравак од: ен.википедиа.орг
4. Хелменстине, Тодд. (27. децембра 2018.). Шта је формула за Цхарлесов закон? Опоравак од: тхинкцо.цом
5. Проф. Н. Де Леон. (сф) Основни закони о гасу: Цхарлес Лав. Ц 101 Напомене о класи Опоравак од: иун.еду
6. Брицено Габриела. (2018). Цхарлес Лав. Опоравак од: еустон96.цом
7. Моррис, ЈГ (1974). Физикохемија за биологе. (2 да едитион). Редакција Реверте, СА