CHARLESOV ZAKON: FORMULE IN ENOTE, EKSPERIMENT, VAJE - KEMIJA - 2026

Pravo Charles in Guy-Lussac je tista, ki omogoča izjavo enega od lastnosti plinastem stanju: obseg zasedena s plinom, je neposredno sorazmerna s temperaturo pri konstantnem tlaku.

Ta sorazmernost je linearna za vsa temperaturna območja, če je zadevni plin idealen; Po drugi strani pa dejanski plini odstopajo od linearnega trenda pri temperaturah blizu točke rosišča. Vendar to ni omejilo uporabe tega zakona za nešteto aplikacij, ki vključujejo pline.

Kitajske luči ali želeni baloni. Vir: Pxhere.

Ena izmed najbolj pomembnih uporab Charlesovega zakona je v zračnih balonih. Drugi enostavnejši baloni, kot so baloni z željami, imenovani tudi kitajski luči (zgornja slika), razkrivajo razmerje med prostornino in temperaturo plina pri konstantnem tlaku.

Zakaj pri stalnem pritisku? Ker če bi se tlak povečal, bi to pomenilo, da je posoda, v kateri je plin, hermetično zaprta; s tem pa bi se povečali trki ali udarci plinastih delcev ob notranje stene omenjene posode (zakon Boyle-Mariotte).

Količine, ki jo zaseda plin, torej ne bi bilo, zato bi primanjkovalo Charlesovo pravo. Za razliko od neprepustne posode tkanina želenih balonov predstavlja premično pregrado, ki se lahko širi ali krči, odvisno od pritiska plina v notranjosti.

Ker pa se balonsko tkivo širi, notranji tlak plina ostane stalen, ker se poveča površina, nad katero se trčijo njegovi delci. Višja kot je temperatura plina, višja je kinetična energija delcev in s tem tudi število trkov.

In ko se balon spet širi, trki ob njegove notranje stene ostanejo (v idealnem primeru) konstantni.

Torej, bolj vroč je plin, večja je širitev balona in višji bo naraščanje. Rezultat: rdečkaste (čeprav nevarne) luči so decembrske noči na nebu visele.

Kaj je Charlesov zakon?

Izjava

Tako imenovani Charlesov zakon ali Gay-Lussacov zakon pojasnjuje odvisnost med prostornino plina in vrednostjo njegove absolutne temperature ali temperature Kelvina.

Zakon je mogoče določiti na naslednji način: če tlak ostane stalen, se ugotovi, da "za določeno maso plina poveča svojo prostornino za približno 1/273-krat večjo prostornino pri 0 ° C za vsako stopinjo Celzija ( 1 ° C) za zvišanje temperature “.

Službe

Raziskovalno delo, ki je vzpostavilo zakon, je v 1780-ih začel Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Vendar pa Charles svojih rezultatov preiskav ni objavil.

Kasneje je John Dalton leta 1801 eksperimentalno ugotovil, da se vsi plini in hlapi, ki jih je preučil, razširijo med dvema določenima temperaturama v isti količinski količini. Te rezultate je leta 1802 potrdil Gay-Lussac.

Raziskovalna dela Charlesa, Daltona in Gay-Lussaca so omogočila ugotovitev, da sta prostornina plina in njegova absolutna temperatura neposredno sorazmerni. Zato obstaja temperatura med prostornino in prostornino plina linearno.

Graf

Graf T za V za idealen plin. Vir: Gabriel Bolívar.

Grafikovanje (zgornja slika) prostornine plina glede na temperaturo povzroči ravno črto. Presečišče črte z osjo X pri temperaturi 0 ° C omogoča pridobitev prostornine plina pri 0 ° C.

Prav tako bi presečišče črte z osjo X dalo podatke o temperaturi, za katero bi bila prostornina plina enaka nič "0". Dalton je to vrednost ocenil na -266 ° C, kar je blizu priporočene vrednosti Kelvina za absolutno ničlo (0).

Kelvin je predlagal temperaturno lestvico, katere nič bi moralo biti temperatura, pri kateri bi imel popoln plin prostornino nič. Toda pri teh nizkih temperaturah se plini utekočinijo.

Zato o količinah plinov kot takih ni mogoče govoriti, pri čemer bi ugotovili, da mora biti vrednost absolutne nič -273,15 ºC.

Formule in merske enote

Formule

Charlesov zakon v svoji sodobni različici pravi, da sta prostornina in temperatura plina neposredno sorazmerni.

Torej:

V / T = k

V = prostornina plina. T = temperatura Kelvina (K). k = konstanta sorazmernosti.

Za prostornine V ₁ in temperaturi T ₁

k = V ₁ / T ₁

Prav tako za prostornine V ₂ in temperaturo T ₂

k = V ₂ / T ₂

Nato enačimo dve enačbi za k, ki ju imamo

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

To formulo lahko zapišemo na naslednji način:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Formula se rešuje za V ₂ :

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Enote

Prostornina plina se lahko izrazi v litrih ali v kateri koli izmed njegovih pridobljenih enot. Prav tako se prostornina lahko izrazi v kubičnih metrih ali v kateri koli pridobljeni enoti. Temperatura mora biti izražena v absolutni temperaturi ali temperaturi Kelvina.

Torej, če so temperature plina izražene v stopinjah Celzija ali Celzijeve lestvice, za izračun z njimi bi bilo treba temperaturam prišteti 273,15 ºC, da bi jih dosegli absolutne temperature ali kelvine.

Če so temperature izražene v stopinjah Fahrenheita, bi bilo treba tem temperaturam dodati 459,67 ºR, da bi jih dosegli absolutne temperature na Rankinejevi lestvici.

Druga dobro znana formula Charlesovega zakona, ki je neposredno povezana z njeno izjavo, je naslednja:

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

Kjer je V _t prostornina, ki jo zaseda plin pri določeni temperaturi, izražena v litrih, cm ³ itd .; in V _o je prostornina, ki jo zaseda plin pri 0 ° C. T je temperatura, pri kateri se meri prostornina, izražena v stopinjah Celzija (° C).

In končno, 273 predstavlja vrednost absolutne ničle na temperaturni lestvici Kelvina.

Eksperimentirajte, da dokažete zakon

Montaža

Priprava eksperimenta za dokazovanje Charlesovega zakona. Vir: Gabriel Bolívar.

V posodi z vodo, ki je izpolnila funkcijo vodne kopeli, je bil na njenem vrhu postavljen odprt cilinder, s batom, ki se je prilegal notranji steni valja (zgornja slika).

Ta bat (sestavljen iz bata in obeh črnih podstavkov) bi se lahko premikal proti vrhu ali dnu jeklenke, odvisno od količine plina, ki ga vsebuje.

Vodno kopel bi lahko ogrevali z gorilnikom ali ogrevalno napravo, ki je dovajala toploto, potrebno za zvišanje temperature kopeli in s tem temperaturo jeklenke, opremljene s batom.

Določeno maso smo postavili na bat, da bi zagotovili, da je bil poskus izveden pri konstantnem tlaku. Temperaturo kopeli in jeklenke smo merili s termometrom, nameščenim v vodni kopeli.

Čeprav valj verjetno ni imel stopnjevanja, da bi prikazoval volumen zraka, bi to lahko ocenili z merjenjem višine, dosežene z maso, nameščeno na batu, in površino dna jeklenke.

Razvoj

Prostornina jeklenke dobimo tako, da pomnožimo površino njene osnove z njegovo višino. Površino jeklenke lahko dobimo s formulo: S = Pi xr ² .

Medtem ko je višina dosežena z merjenjem razdalje od podstavka valja, do dela bata, na katerem masa počiva.

Ker se je temperatura kopeli zvišala s toploto, ki jo proizvaja vžigalnik, je opaziti, da se v valju dviga bat. Nato so na termometru prebrali temperaturo v vodni kopeli, ki je ustrezala temperaturi v jeklenki.

Izmerili so tudi višino mase nad batom, da so lahko ocenili količino zraka, ki je ustrezala izmerjeni temperaturi. Na ta način so opravili več meritev temperature in ocene volumna zraka, ki ustreza vsaki od temperatur.

S tem je bilo končno mogoče ugotoviti, da je prostornina plina neposredno sorazmerna z njegovo temperaturo. Ta sklep je omogočil navajanje tako imenovanega Charlesovega zakona.

Balon z ledom pozimi

Poleg prejšnjega poskusa obstaja še enostavnejši in bolj kvaliteten: ledeni balon pozimi.

Če bi bili balon, napolnjen s helijem, pozimi postavljen v ogrevano sobo, bi imel balon določeno prostornino; Toda, če bi ga pozneje premaknili zunaj hiše z nizko temperaturo, bi opazili, da se helijev balon skrči, kar zmanjšuje njegovo količino v skladu s Charlesovim zakonom.

Rešene vaje

Vaja 1

Obstaja plin, ki zaseda prostornino 750 cm ³ pri 25 ° C: kolikšen bo volumen, ki ga ta plin zasede pri 37 ° C, če je tlak konstanten?

Najprej je potrebno pretvoriti enote temperature v kelvin:

T ₁ v stopinjah Kelvina = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T ₂ v stopinjah Kelvina = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

Ker V. ₁ se in druge spremenljivke znano, V. ₂ je rešen in izračunana po naslednji enačbi:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Vaja 2

Kakšna bi bila temperatura v stopinjah Celzija, na katero bi morali 3 litre plina segreti na 32 ° C, da se njegova prostornina razširi na 3,2 litra?

Spet se stopinje stopinje Celzija spremenijo v kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

Kot v prejšnji vaji rešimo tudi za T ₂ namesto za V ₂ in se izračuna spodaj:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Toda izjava zahteva stopinje Celzija, zato je enota T ₂ spremenjena :

T ₂ v stopinjah Celzija = 325, 49 ° C (K) - 273,15 ° C (K)

= 52,34 ° C

Vaja 3

Če ima plin pri 0 ° C prostornino 50 cm ³ , kakšen volumen zaseda pri 45 ° C?

Uporaba originalne formule Charlesovega zakona:

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

Nadaljujemo z izračunom V _t, ko so na voljo vse spremenljivke:

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

= 58,24 cm ³

Po drugi strani pa, če bomo težavo rešili s strategijo iz primerov 1 in 2, bomo imeli:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Rezultat uporabe obeh postopkov je enak, ker na koncu temelji na istem principu Charlesovega zakona.

Prijave

Zaželi si balone

Želeni baloni (že omenjeni v uvodu) so opremljeni s tekstilnim materialom, prepojenim z vnetljivo tekočino.

Ko se ta material zažge, pride do zvišanja temperature zraka, ki ga vsebuje balon, kar povzroči povečanje prostornine plina po Charlesovem zakonu.

Zato se s povečanjem volumna zraka v balonu zmanjšuje gostota zraka v balonu, ki postane manjša od gostote okoliškega zraka, zato se balon dvigne.

Termometri za skočne ali purane

Kot pove njihovo ime, jih uporabljamo med kuhanjem puranov. Termometer ima posodo, napolnjeno z zrakom, zaprto s pokrovom in je umerjena tako, da se ob doseganju optimalne temperature kuhanja pokrov dvigne z zvokom.

Termometer je nameščen znotraj purana, in ko se temperatura v pečici zvišuje, se zrak v termometru širi, s čimer se poveča njegova prostornina. Potem, ko prostornina zraka doseže določeno vrednost, naredi pokrov dvižnika termometra.

Obnovitev oblike kroglic za ping pong

Ping-pong kroglice, odvisno od zahtev njihove uporabe, so lahke in njihove plastične stene so tanke. To povzroči, da ob trku z loparji utrpijo deformacije.

Z namestitvijo deformiranih kroglic v vročo vodo se zrak v notranjosti segreje in razširi, kar vodi do povečanja volumna zraka. Zaradi tega se stena kroglic za ping pong raztegne, kar jim omogoča, da se vrnejo v prvotno obliko.

Priprava kruha

Kvas je vgrajen v pšenično moko, ki se uporablja za pripravo kruha in ima sposobnost proizvodnje ogljikovega dioksida.

Ko temperatura hlebcev med peko narašča, se poveča tudi količina ogljikovega dioksida. Zaradi tega se kruh širi, dokler ne doseže želene količine.

Reference

1. Clark J. (2013). Drugi zakoni o plinu - Boyleov zakon in Charlesov zakon. Pridobljeno: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Charlesov zakon. Pridobljeno: scienceprimer.com
3. Wikipedija. (2019). Charles Law. Pridobljeno: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27. december 2018). Kakšna je formula za Charlesov zakon? Pridobljeno: misel.com
5. Prof. N. De Leon. (sf). Osnovni zakoni o plinu: Charles Law. C 101 Opombe k razredu Pridobljeno iz: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Pridobljeno: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fizikalna kemija za biologe. (2 ^da izdaja). Uredništvo Reverté, SA