CHARLESOV ZAKON: FORMULE I JEDINICE, EKSPERIMENT, VJEŽBE - KEMIJA - 2026

Zakon Charlesa ili Guy-Lussac je onaj koji omogućuje izjavu jednog od svojstava plinovitom stanju: volumen okupirana od strane plina je direktno proporcionalan temperaturi pri stalnom pritisku.

Ova je proporcionalnost linearna za sva područja temperature ako je dotični plin idealan; realni plinovi, s druge strane, odstupaju od linearnog trenda pri temperaturama blizu njihove točke rosišta. Međutim, to nije ograničilo upotrebu ovog zakona za bezbroj primjena koje uključuju plinove.

Kineski fenjeri ili baloni za želje. Izvor: Pxhere.

Jedna od najvažnijih primjena Karlovog zakona je u zračnim balonima. Drugi jednostavniji baloni, poput željenih balona, ​​koji se nazivaju i kineski lampioni (gornja slika), pokazuju odnos između volumena i temperature plina pri konstantnom tlaku.

Zašto pod stalnim pritiskom? Jer ako bi se pritisak povećao, to bi značilo da je spremnik u kojem se nalazi plin hermetički zatvoren; i s time bi se povećali sudari ili udarci plinovitih čestica na unutarnje stijenke spremnika (Boyle-Mariotte zakon).

Stoga ne bi došlo do promjene volumena zauzetog plina, a nedostajao bi Charlesov zakon. Za razliku od hermetički zatvorenih spremnika, tkanina željenih balona predstavlja pomičnu barijeru koja se može proširiti ili skupiti ovisno o tlaku koji gas djeluje unutar.

Kako se tkivo balona širi, unutarnji tlak plina ostaje konstantan jer se povećava površina preko koje se sudaraju njegove čestice. Što je viša temperatura plina, to je veća kinetička energija čestica, a samim tim i broj sudara.

I kako se balon ponovno širi, sudara u njegove unutarnje zidove ostaju (u idealnom slučaju) konstantni.

Dakle, topliji je plin, veće je širenje balona i što će se veći povećati. Rezultat: crvenkasta (iako opasna) svjetla u prosincu su visjela na nebu.

Kakav je Karlov zakon?

izjava

Takozvani Charlesov zakon ili Gay-Lussacov zakon objašnjava ovisnost koja postoji između volumena koji zauzima plin i vrijednosti njegove apsolutne temperature ili temperature Kelvina.

Zakon se može izreći na sljedeći način: ako tlak ostane konstantan, smatra se da „za određenu masu plina, povećava svoj volumen za otprilike 1/273 puta svoj volumen na 0 ºC, za svaki stupanj Celzijusa (1 ° C) povećati temperaturu “.

Posao

Istraživački rad kojim je uspostavljen zakon pokrenuo je 1780-ih Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Međutim, Charles nije objavio rezultate svojih istraga.

Kasnije je John Dalton 1801. uspio eksperimentalno utvrditi da se svi plinovi i pare, koje je on proučavao, proširuju između dvije određene temperature u istoj količinskoj količini. Te je rezultate potvrdio Gay-Lussac 1802. godine.

Istraživački radovi Charlesa, Daltona i Gay-Lussaca omogućili su utvrđivanje da su zapremina plina i njegova apsolutna temperatura izravno proporcionalni. Stoga postoji linearni odnos između temperature i volumena plina.

grafikon

Grafikon T-V za idealan plin. Izvor: Gabriel Bolívar.

Grafikovanjem (gornja slika) volumena plina u odnosu na temperaturu nastaje ravna linija. Sjecište linije s osi X, pri temperaturi od 0 ° C, omogućuje dobivanje volumena plina na 0 ° C.

Isto tako, sjecište linije s osi X dalo bi podatke o temperaturi za koju bi zapremina koju zauzima plin bila jednaka nuli "0". Dalton je procijenio ovu vrijednost na -266 ° C, što je blizu Kelvinove preporučene vrijednosti za apsolutnu nulu (0).

Kelvin je predložio temperaturnu skalu čija bi nula trebala biti temperatura pri kojoj bi savršeni plin imao volumen nula. Ali pri ovim niskim temperaturama plinovi se ukapljuju.

Zbog toga nije moguće govoriti o količinama plinova kao takvih, otkrivajući da bi vrijednost za apsolutnu nulu trebala biti -273,15 ºC.

Formule i mjerne jedinice

formule

Charlesov zakon u svojoj modernoj verziji kaže da su volumen i temperatura plina izravno proporcionalni.

Tako:

V / T = k

V = volumen plina. T = Kelvinska temperatura (K). k = konstanta proporcionalnosti.

Za volumena V ₁ i temperaturi T ₁

k = V ₁ / T ₁

Isto tako, za volumena V ₂ i na temperaturi T ₂

k = V ₂ / T ₂

Zatim, izjednačavanje dviju jednadžbi za k imamo

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Formula se može napisati na sljedeći način:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Rješavajući za V ₂, dobiva se formula:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Jedinice

Volumen plina može se izraziti u litrama ili u bilo kojem od njegovih izvedenih jedinica. Isto tako, volumen se može izraziti u kubičnim metrima ili u bilo kojoj izvedenoj jedinici. Temperatura mora biti izražena u apsolutnoj temperaturi ili temperaturi Kelvina.

Dakle, ako su temperature nekog plina izražene u stupnjevima Celzijusa ili Celzijevoj ljestvici, za izračun s njima treba dodati temperaturama od 273,15 ° C, kako bi se one dovele do apsolutnih temperatura ili kelvina.

Ako su temperature izražene u stupnjevima Farenhajta, tim bi se temperaturama trebalo dodati 459,67 ºR, kako bi se one dovele do apsolutnih temperatura na Rankinovoj skali.

Još jedna poznata formula Charlesovog zakona, a koja je izravno povezana s njegovom izjavom, je sljedeća:

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

Gdje V _t je volumen koji zauzima plina na određenoj temperaturi, izraženo u litrama, cm ³, itd. i V _° je zapremina koju zauzima plin pri 0 ° C. Sa svoje strane, t je temperatura pri kojoj se mjeri volumen, izražena u stupnjevima Celzijusa (ºC).

I na kraju, 273 predstavlja vrijednost apsolutne nule na Kelvinovoj temperaturnoj skali.

Eksperimentirajte da dokažete zakon

montiranje

Postavljanje eksperimenta za pokazivanje Charlesovog zakona. Izvor: Gabriel Bolívar.

U spremniku s vodom, koji je ispunjavao funkciju vodene kupelji, na njegov vrh postavljen je otvoreni cilindar, s klipom koji se postavljao na unutarnju stijenku cilindra (gornja slika).

Ovaj klip (koji se sastoji od klipa i dvije crne baze) mogao bi se kretati prema vrhu ili dnu cilindra, ovisno o volumenu plina koji sadrži.

Vodena kupelj može se zagrijati upotrebom plamenika ili grijalice, koja je dovodila potrebnu toplinu za povećanje temperature kupelji, a samim tim i temperature cilindra opremljenog klipom.

Određena masa stavljena je na klip da bi se osiguralo da je eksperiment izveden pod konstantnim pritiskom. Temperatura kupelji i cilindra izmjerena je pomoću termometra postavljenog u vodenu kupelj.

Iako cilindar vjerojatno nije imao stupanj za prikaz volumena zraka, to se moglo procijeniti mjerenjem visine dostignute mase smještene na klipu i površine baze cilindra.

Razvoj

Volumen cilindra dobiva se množenjem površine baze s njegovom visinom. Površina baze cilindra može se dobiti primjenom formule: S = Pi xr ².

Dok se visina postiže mjerenjem udaljenosti od baze cilindra, do dijela klipa na kojem masa počiva.

Kako se temperatura kupelji povećavala toplinom koju proizvodi upaljač, opaženo je da se klip povećava unutar cilindra. Zatim su na termometru pročitali temperaturu u vodenoj kupelji, koja je odgovarala temperaturi unutar cilindra.

Oni su također izmjerili visinu mase iznad klipa, sposobni su procijeniti volumen zraka koji je odgovarao izmjerenoj temperaturi. Na taj su način obavili nekoliko mjerenja temperature i procjene volumena zraka koji odgovara svakoj od temperatura.

S ovim je napokon bilo moguće utvrditi da je zapremina koju neki plin zauzima izravno proporcionalna njegovoj temperaturi. Ovaj zaključak omogućio je navođenje takozvanog Charlesovog zakona.

Balon s ledom zimi

Uz prethodni eksperiment, postoji i jednostavniji i kvalitativniji: onaj balona s ledom zimi.

Ako bi se balon ispunjen helijem zimi stavio u grijanu prostoriju, balon bi imao određenu zapreminu; No, ako bi se kasnije premjestio izvan kuće s niskom temperaturom, primijetili bismo da se balon helija smanjuje, smanjujući svoj volumen prema Charlesovu zakonu.

Riješene vježbe

Vježba 1

Postoji plin koji zauzima volumen od 750 cm ³ pri 25 ° C: koliki će biti volumen tog plina na 37 ° C ako se tlak održava konstantnim?

Prvo je potrebno pretvoriti jedinice temperature u kelvin:

T ₁ u stupnjevima Kelvina = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T ₂ u stupnjevima Kelvina = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

Budući da V ₁, i ostale varijable su poznati, V ₂ je riješen i izračunava pomoću slijedeće jednadžbe:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Vježba 2

Kolika bi bila temperatura u stupnjevima Celzijusa, do kojih bi 3 litre plina trebalo zagrijati na 32 ° C, tako da se njegov volumen širi na 3,2 litre?

Opet se stupnjeva Celzijusa pretvaraju u kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

I kao u prethodnoj vježbi, možemo riješiti za T ₂ umjesto V ₂, a obračunava se u nastavku:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁)

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Ali izjava traži Celzijevih stupnjeva, tako da je jedinica T ₂ se mijenja:

T ₂ u stupnjevima Celzija = 325, 49 º C (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ° C

Vježba 3

Ako plin na 0 ° C zauzima volumen od 50 cm ³, koji će volumen zauzeti na 45 ° C?

Koristeći originalnu formulu Charlesovog zakona:

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

Nastavljamo za izračunavanje V _t izravno kada su dostupni svi varijable:

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

= 58,24 cm ³

S druge strane, ako se problem riješi korištenjem strategije iz primjera 1 i 2, imat ćemo:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Rezultat primjene dva postupka isti je jer se oni u konačnici temelje na istom principu Charlesovog zakona.

Prijave

Poželite balone

Baloni za želje (već spomenuti u uvodu) opremljeni su tekstilnim materijalom impregniranim zapaljivom tekućinom.

Kada se ovaj materijal zapalio, dolazi do povećanja temperature zraka koji se nalazi u balonu, što uzrokuje povećanje volumena plina prema Charlesovu zakonu.

Stoga, kako se volumen zraka u balonu povećava, gustoća zraka u balonu opada, što postaje manje od gustoće okolnog zraka, i zato se balon diže.

Pop-Up ili pureći termometri

Kao što im ime govori, koriste se tijekom kuhanja purana. Termometar ima spremnik napunjen zrakom zatvoren poklopcem i kalibrira se tako da se postigne optimalna temperatura kuhanja, a poklopac podigne sa zvukom.

Termometar se postavlja unutar puretine, a kako se temperatura unutar pećnice povećava, zrak unutar termometra se širi, povećavajući njegov volumen. Tada kada volumen zraka dosegne određenu vrijednost, on čini poklopac dizanja termometra.

Vraćanje oblika kuglica za ping pong

Kuglice za ping-pong, ovisno o zahtjevima njihove upotrebe, male su težine, a plastični zidovi tanki. To uzrokuje da prilikom udara reketa trpe deformacije.

Stavljanjem deformiranih kuglica u vruću vodu, zrak se zagrijava i širi, što dovodi do povećanja volumena zraka. To također uzrokuje istezanje zida ping-pong kuglica, što im omogućuje povratak u izvorni oblik.

Izrada kruha

Kvasci su ugrađeni u pšenično brašno koje se koristi za izradu kruha i ima sposobnost stvaranja plina ugljičnog dioksida.

Kako temperatura kruha raste tijekom pečenja, povećava se i količina ugljičnog dioksida. Zbog toga se kruh širi dok ne postigne željeni volumen.

Reference

1. Clark J. (2013). Drugi zakoni o plinu - Boyleov zakon i Charlesov zakon. Oporavak od: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018.). Charlesov zakon. Oporavilo od: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Charles Law. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27. prosinca 2018.). Kakva je formula za Charlesov zakon? Oporavilo od: misel.com
5. Prof. N. De Leon. (SF). Osnovni zakoni o plinu: Charles Law. C 101 Napomene o klasi. Oporavak od: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018.). Charles Law. Oporavilo od: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fizikalna kemija za biologe. (2 ^da izdanje). Redakcija Reverté, SA