Formule e unità di legge di Charles, esperimento, esercizi

IL Charles Law o di Guy-Lussac è quello che consente la dichiarazione di una delle proprietà dello stato gassoso: il volume che un gas occupa è direttamente proporzionale alla temperatura a pressione costante.

Questa proporzionalità è lineare per tutte le temperature varia se il gas in questione è l'ideale; Royal Gases, d'altra parte, si discostano dalla tendenza lineare a temperature vicino al loro punto di condensa. Tuttavia, ciò non ha limitato l'uso di questa legge per applicazioni infinite in cui i gas partecipano.

Lanterne o desideri cinesi. Fonte: pxhere.

Una delle pari dell'eccellenza della legge di Charles è la presenza nei palloncini aerodinamici. Altri palloncini più semplici, come i desideri, chiamati anche lampada cinese.

Perché una pressione costante? Perché se la pressione aumentasse, significherebbe che il contenitore in cui si trova il gas è strettamente chiuso; E con questo, le collisioni o gli impatti delle particelle gassose contro le pareti interne di detto contenitore (legge di Boyle-Maleotte) aumenterebbero le collisioni o gli impatti delle particelle interne (legge di Boyle-Maleotte).

Pertanto, non ci sarebbero cambiamenti nel volume occupato dal gas e la legge di Charles non sarebbe rigore. Contrariamente a un contenitore ermetico, il tessuto dei palloncini dei desideri rappresenta una barriera mobile, in grado di espandersi o contrarre a seconda della pressione esercitata dal gas all'interno.

Tuttavia, quando il tessuto a palloncino si espande, la pressione interna del gas rimane costante perché aumenta l'area su cui si scontrano le sue particelle. Maggiore è la temperatura del gas, maggiore è l'energia cinetica delle particelle, e quindi il numero di collisioni.

E quando il globo si espande di nuovo, le collisioni contro le sue pareti interne rimangono costanti (idealmente).

Quindi, più caldo è il gas, maggiore è l'espansione del globo e più aumenterà. Il risultato: luci rossastri (sebbene pericolose) sospese nel cielo durante le notti a dicembre.

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Qual è la legge di Charles?

Dichiarazione

La cosiddetta legge di Charles o la legge di Gay-Lussac spiega la dipendenza che esiste tra il volume occupato da un gas e il valore della sua temperatura assoluta o la temperatura di Kelvin.

La legge può essere enunciata come segue: se la pressione rimane costante, si adempie che “per una data massa di gas, aumenta il suo volume di 1/273 volte circa il suo volume a 0 ºC, per ogni grado centigrado (1 ºC ) che aumenta la sua temperatura ".

Lavori

I lavori di ricerca che hanno permesso di stabilire la legge furono avviati nel 1780 da Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Tuttavia, Charles non ha pubblicato i risultati delle sue indagini.

Successivamente, John Dalton nel 1801 riuscì a determinare sperimentalmente che tutti i gas e i vapori, studiati da lui, si espandono tra due temperature determinate nello stesso volume. Questi risultati sono stati confermati da Gay-Lussac nell'anno 1802.

Le opere di ricerca di Charles, Dalton e Gay-Lussac, hanno permesso di stabilire che il volume occupato da un gas e la sua temperatura assoluta sono direttamente proporzionali. Pertanto, esiste una relazione lineare tra la temperatura e il volume di un gas.

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Grafico

Grafico T vs v per un gas ideale. Fonte: Gabriel Bolívar.

La realizzazione di un grafico (immagine superiore) del volume di un gas contro la temperatura produce una linea retta. L'intersezione della linea con l'asse di X, alla temperatura di 0 ºC, consente di ottenere il volume di gas a 0 ºC.

Allo stesso modo, l'intersezione della linea con l'asse della X, darebbe informazioni sulla temperatura per la quale il volume occupato dal gas sarebbe zero "0". Dalton ha stimato questo valore a -266 ºC, vicino al valore suggerito da Kelvin per assoluto (0) assoluto.

Kelvin ha proposto una scala di temperatura il cui zero dovrebbe essere la temperatura alla quale un gas perfetto avrebbe un volume di zero. Ma a queste basse temperature i gas sono liquefatti.

Ecco perché non possiamo parlare di volumi di gas in quanto tale, scoprendo che il valore per lo zero assoluto dovrebbe essere -273,15 ºC.

Formule e unità di misurazione

Formule

La legge di Charles nella sua versione moderna indica che il volume e la temperatura di un gas sono direttamente proporzionali.

COSÌ:

V / t = k

V = volume del gas. T = Kelvin Temperature (K). K = costante di proporzionalità.

Per un volume V₁ e una temperatura t₁

k = v₁ / T₁

Inoltre, per un volume V₂ e una temperatura t₂

k = v₂ / T₂

Quindi, abbinando le due equazioni per k che hai

V₁ / T₁ = V₂ / T₂

Questa formula può essere scritta come segue:

V₁ · T₂ = V₂ · T₁

Clearing v₂, La formula si ottiene:

V₂ = V₁ · T₂ / T₁

Unità

Il volume di gas può essere espresso in litri o in una delle sue unità derivate. Allo stesso modo, il volume può essere espresso in metri cubi o in qualsiasi unità derivata. La temperatura deve essere espressa a temperatura assoluta o Kelvin.

Quindi, se le temperature di un gas sono espresse in scala Celsius o Celsius, per eseguire un calcolo con loro, la quantità di 273,15 ºC dovrebbe essere aggiunta alle temperature, al fine di portarle a temperature assolute o Kelvin.

Se le temperature sono espresse in gradi Farenheit, dovrebbe essere aggiunto a quelle temperature 459,67 ºR, per portarle a temperature assolute sulla scala di Rankine.

Un'altra formula conosciuta della legge di Charles, e direttamente correlata alla sua dichiarazione, è la seguente:

V_T = V_O (1 + T/273)

Dove v_T  È il volume occupato da un gas a una certa temperatura, espresso in litri, CM³, eccetera.; e v_O È il volume occupato da un gas a 0 ºC. Da parte sua, T è la temperatura alla quale viene effettuata la misurazione del volume, espressa in gradi Celsius (ºC) (ºC).

E infine, 273 rappresenta il valore zero assoluto sulla scala della temperatura di Kelvin.

Sperimenta per dimostrare la legge

Montaggio

Assemblea dell'esperimento per dimostrare la legge di Charles. Fonte: Gabriel Bolívar.

In un contenitore d'acqua, che soddisfaceva la funzione di un bagno d'acqua, un cilindro aperto era posizionato dalla sua parte superiore, con uno stantuffo che si adattava alla parete interna del cilindro (immagine superiore).

Questo stantuffo (formato dal pistone e dalle due basi nere) potrebbe spostarsi nella parte superiore o inferiore del cilindro a seconda del volume del gas conteneva.

Il bagno d'acqua potrebbe essere riscaldato usando un impianto più leggero o di riscaldamento, che forniva il calore necessario per aumentare la temperatura del bagno e quindi la temperatura del cilindro equipaggiato con uno stantuffo.

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Sull'ermeggio è stata posizionata una certa massa per garantire che l'esperimento sia stato condotto a pressione costante. La temperatura del bagno e del cilindro è stata misurata utilizzando un termometro posizionato nel bagno d'acqua.

Sebbene probabilmente il cilindro non avesse una laurea per visualizzare il volume d'aria, questo potrebbe essere stimato misurando l'altezza che la massa posizionata sullo stantuffo e sulla superficie della base del cilindro.

Sviluppo

Il volume di un cilindro è ottenuto moltiplicando la superficie della sua base per la sua altezza. La superficie della base del cilindro potrebbe essere ottenuta applicando la formula: s = pi x r².

Mentre l'altezza viene ottenuta misurando la distanza dalla base del cilindro, al pistone su cui poggia l'impasto.

Man mano che la temperatura del bagno aumentava dal calore prodotto dall'accendino, si osserva che lo stantuffo si alzava all'interno del cilindro. Quindi, leggono la temperatura nel bagno d'acqua nel termometro, che corrispondeva all'interno del cilindro.

Misurano anche l'altezza dell'impasto sullo stantuffo, essendo in grado di stimare il volume d'aria che corrispondeva alla temperatura misurata. In questo modo hanno effettuato diverse misurazioni della temperatura e stime del volume dell'aria corrispondente a ciascuna delle temperature.

Ciò potrebbe finalmente stabilire che il volume occupato da un gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura. Questa conclusione ha permesso di dichiarare la legge così chiamata Charles.

Globo con ghiaccio in inverno

Oltre all'esperimento precedente, c'è uno più semplice e qualitativo: quello del palloncino con ghiaccio in inverno.

Se in inverno fosse posizionato un pallone pieno di elio in una stanza con riscaldamento, il globo avrebbe un certo volume; Ma, se poi si spostasse all'esterno della casa con una bassa temperatura, si osserva che il palloncino elio si restringe, riducendo il suo volume secondo la legge di Charles.

Esercizi risolti

Esercizio 1

Hai un gas che occupa un volume di 750 cm³ A 25 ºC: quale sarà il volume che questo gas occupa a 37 ºC se la pressione costante viene mantenuta?

È necessario prima trasformare le unità di temperatura in Kelvin:

T₁ In gradi Kelvin = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T₂ In gradi Kelvin = 37 ºC + 273.15 ºC = 310,15 K

Perché è noto v₁ e le altre variabili, cancella V₂ Ed è calcolato con la seguente equazione:

V₂ = V₁ · (T₂ / T₁)

= 750 cm³ · (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm³

Esercizio 2

Quale sarebbe la temperatura in gradi Celsius a cui 3 litri di gas dovrebbero essere riscaldati a 32 ° C, in modo che il suo volume si espanda a 3,2 litri?

Ancora una volta, i gradi Celsius a Kelvin vengono trasformati:

T₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

E come nell'esercizio precedente, T viene cancellato₂ Invece di v₂, e poi calcola:

T₂ = V₂ · (T₁ / V₁)

= 3.2 L · (305.15 K / 3 L)

= 325,49 k

Ma la dichiarazione chiede gradi Celsius, quindi l'unità di T viene cambiata₂:

T₂ In gradi Celsius = 325, 49 º C (k) - 273,15 ºC (K)

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= 52,34 ºC

Esercizio 3

Se un gas a 0 ºC occupa un volume di 50 cm³, Quale volume occuperà a 45 ºC?

Usando la formula originale della legge di Charles:

V_T = V_O (1 + T /273)

Procedere al calcolo v_T direttamente quando si smaltisce tutte le variabili:

V_T = 50 cm³ + 50 cm³ · (45 ºC / 273 ºC (k))

= 58,24 cm³

D'altra parte, se il problema viene risolto usando la strategia degli esempi 1 e 2, avremo:

V₂ = V₁ · (T₂ / T₁)

= 318 K · (50 cm³ / 273 K)

= 58,24 cm³

Il risultato, applicando le due procedure, è lo stesso perché alla fine si basano sullo stesso principio di Charles Law.

Applicazioni

Wishe Galls

I palloncini dei desideri (già menzionati nell'introduzione) sono dotati di un materiale tessile impregnato di un liquido combustibile.

Quando gli incendi si accendono questo materiale, c'è un aumento della temperatura dell'aria contenuta nel globo, che provoca un aumento del volume del gas secondo la legge di Charles.

Pertanto, aumentando il volume dell'aria nel globo, la densità dell'aria diminuisce in essa, che è fatta inferiore alla densità dell'aria circostante, ed è per questo che il globo sale.

Termometri pop-up o tacchini

Come indicato dal suo nome vengono utilizzati durante la cottura dei tacchini. Il termometro ha un contenitore pieno di aria chiusa con un coperchio ed è calibrato in modo tale che quando si raggiunge la temperatura di cottura ottimale, il coperchio viene sollevato emettendo un suono.

Il termometro viene posizionato all'interno del tacchino e all'aumentare della temperatura all'interno del forno, l'aria all'interno del termometro si sta espandendo, aumentando il suo volume. Quindi, quando il volume dell'aria raggiunge un certo valore, produce il sollevamento del termometro.

Recupero della forma di palline da ping-pong

Le palline da ping-pong a seconda dei requisiti del loro uso, sono di peso leggero e le loro pareti di plastica sono poco spesse. Questo li rende colpiti dalle racchette soffrono di deformazioni.

Posizionando le sfere deformate in acqua calda, l'aria all'interno viene riscaldata e si verifica la sua espansione, il che porta ad un aumento del volume dell'aria. Ciò provoca anche un tratto del muro delle palline da ping-pong, che consente il recupero della sua forma originale.

Elaborazione dei paes

I lieviti sono incorporati nella farina di grano che viene utilizzata per fare il pane e avere la capacità di produrre gas di anidride carbonica.

Aumentando la temperatura del pane durante la cottura, il volume di anidride carbonica aumenta. È per questo che si verifica un'espansione del pane fino a raggiungere il volume desiderato.

Riferimenti

1. Clark J. (2013). Oter Gas Leades - La legge di Boyle e la legge di Charles. Recuperato da: ChemGuide.co.UK
2. Staroscik Andrew. (2018). Legge di Charles. Estratto da: Sciekeprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Charles Law. Recuperato da: in.Wikipedia.org
4. Helmestine, Todd. (27 dicembre 2018). Qual è la formula per la legge di Charles? Recuperato da: Thoughtco.com
5. Prof. N. Di leone. (S.F.). Leggi sul gas elementare: Charles Law. C 101 Note di classe. Recuperato da: iun.Edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Recuperato da: Euston96.com
7. Morris, j. G. (1974). FisicoCochimica per i biologi. (2^dà edizione). Redazione editoriale, s.A.