BATAS NI CHARLES: MGA PORMULA AT YUNIT, EKSPERIMENTO, PAGSASANAY - CHEMISTRY - 2025

Ang batas ni Charles o Guy-Lussac ay isa na nagpapahintulot sa pahayag ng isa sa mga katangian ng estado ng gas, ang lakas ng tunog na sinakop ng isang gas ay direktang proporsyonal sa temperatura sa palagiang presyon.

Ang proporsyonalidad na ito ay linear para sa lahat ng mga saklaw ng temperatura kung ang gas na pinag-uusapan ay perpekto; ang mga totoong gas, sa kabilang banda, lumihis mula sa linear na takbo sa mga temperatura na malapit sa kanilang punto ng hamog. Gayunpaman, hindi ito limitado ang paggamit ng batas na ito para sa isang napakaraming mga application na kinasasangkutan ng mga gas.

Mga lantern ng Intsik o nais na lobo. Pinagmulan: Pxhere.

Ang isa sa mga quintessential application ng batas ng Charles 'ay nasa mga air balloon. Ang iba pang mga mas simpleng lobo, tulad ng mga lobo na nais, na tinawag din na mga lantern ng Intsik (tuktok na imahe), ay nagpapakita ng ugnayan sa pagitan ng lakas ng tunog at temperatura ng isang gas sa palaging presyon.

Bakit sa palaging presyon? Dahil kung nadagdagan ang presyon, nangangahulugan ito na ang lalagyan kung saan matatagpuan ang gas ay hermetically selyado; at kasama nito, ang mga pagbangga o epekto ng mga sangkap na gas sa mga panloob na pader ng nasabing lalagyan ay tataas (Boyle-Mariotte law).

Samakatuwid, walang pagbabago sa dami ng nasasakupang gas, at ang batas ni Charles ay kulang. Hindi tulad ng isang lalagyan ng airtight, ang tela ng mga lobo na nais ay kumakatawan sa isang mobile na hadlang, na may kakayahang palawakin o pagkontrata depende sa presyon na ginawa ng gas sa loob.

Gayunpaman, habang lumalawak ang tisyu ng lobo, ang panloob na presyon ng gas ay nananatiling pare-pareho dahil ang lugar na kung saan ang mga particle na ito ay bumabanggaan. Ang mas mataas na temperatura ng gas, mas mataas ang kinetic enerhiya ng mga particle, at samakatuwid ang bilang ng mga banggaan.

At habang muling lumawak ang lobo, ang mga banggaan laban sa panloob na mga pader nito ay mananatiling (perpektong) palagi.

Kaya't ang mas mainit sa gas, mas malaki ang pagpapalawak ng lobo at mas mataas ang pagtaas nito. Ang resulta: mapula-pula (kahit na mapanganib) na mga ilaw na sinuspinde sa kalangitan noong Disyembre ng gabi.

Ano ang batas ni Charles?

Pahayag

Ang tinaguriang Batas ni Charles o Batas sa Gay-Lussac ay nagpapaliwanag sa pag-asa na umiiral sa pagitan ng lakas ng tunog na sinakop ng isang gas at ang halaga ng ganap na temperatura o temperatura ng Kelvin.

Ang Batas ay maaaring ipahiwatig sa sumusunod na paraan: kung ang presyon ay nananatiling pare-pareho, nasiyahan na "para sa isang naibigay na masa ng isang gas, pinapataas nito ang lakas ng tunog ng humigit-kumulang 1/273 beses ang dami nito sa 0 ºC, para sa bawat degree centigrade ( 1 ºC) upang madagdagan ang temperatura nito ”.

Mga trabaho

Ang gawaing pananaliksik na nagtatag ng batas ay sinimulan noong 1780s ni Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Gayunpaman, hindi nai-publish ni Charles ang mga resulta ng kanyang mga pagsisiyasat.

Nang maglaon, pinangasiwaan ni John Dalton noong 1801 na eksperimento na ang lahat ng mga gas at mga singaw, na pinag-aralan sa kanya, ay nagpapalawak sa pagitan ng dalawang tinukoy na temperatura sa parehong dami. Ang mga resulta ay kinumpirma ng Gay-Lussac noong 1802.

Ang mga akdang pananaliksik nina Charles, Dalton at Gay-Lussac, pinapayagan upang maitaguyod na ang lakas ng tunog na sinakop ng isang gas at ang ganap na temperatura nito ay direktang proporsyonal. Samakatuwid, mayroong isang magkakaugnay na ugnayan sa pagitan ng temperatura at dami ng isang gas.

Graph

Grapiko ng T vs V para sa isang mainam na gas. Pinagmulan: Gabriel Bolívar.

Ang graphing (tuktok na imahe) ang dami ng isang gas laban sa temperatura ay gumagawa ng isang tuwid na linya. Ang intersection ng linya kasama ang X axis, sa isang temperatura ng 0ºC, ay nagbibigay-daan sa pagkuha ng dami ng gas sa 0ºC.

Gayundin, ang intersection ng linya kasama ang X axis ay magbibigay ng impormasyon tungkol sa temperatura kung saan ang lakas ng tunog na sinakop ng gas ay magiging "0". Tinantya ni Dalton ang halagang ito sa -266 ° C, malapit sa iminungkahing halaga ni Kelvin para sa ganap na zero (0).

Iminungkahi ni Kelvin ang isang scale ng temperatura na ang zero ay dapat na temperatura kung saan ang isang perpektong gas ay magkakaroon ng lakas ng tunog. Ngunit sa mga mababang temperatura ang mga gas ay natunaw.

Iyon ang dahilan kung bakit hindi posible na magsalita ng mga volume ng mga gas tulad ng, sa paghahanap na ang halaga para sa ganap na zero ay dapat na -273.15 ºC.

Mga formula at mga yunit ng pagsukat

Mga formula

Ang batas ni Charles sa modernong bersyon nito ay nagsasaad na ang dami at temperatura ng isang gas ay direktang proporsyonal.

Kaya:

V / T = k

V = dami ng gas. T = temperatura ng Kelvin (K). k = pare-pareho ng proporsyonalidad.

Para sa isang volume V ₁ at isang temperatura T ₁

k = V ₁ / T ₁

Gayundin, para sa isang volume V ₂ at isang temperatura T ₂

k = V ₂ / T ₂

Pagkatapos, ang paghahambing sa dalawang equation para sa k mayroon tayo

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Ang pormula na ito ay maaaring isulat tulad ng sumusunod:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Paglutas para sa V ₂ , ang formula ay nakuha:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Mga Yunit

Ang dami ng gas ay maaaring ipahayag sa litro o sa alinman sa mga nagmula na yunit. Gayundin, ang lakas ng tunog ay maaaring ipahayag sa mga kubiko metro o sa anumang nagmula na yunit. Ang temperatura ay dapat ipahayag sa ganap na temperatura o temperatura ng Kelvin.

Kaya, kung ang mga temperatura ng isang gas ay ipinahayag sa degree centigrade o ang Celsius scale, upang magsagawa ng pagkalkula sa kanila, ang halaga ng 273.15 ºC ay dapat na maidagdag sa mga temperatura, upang madala ito sa ganap na temperatura o kelvin.

Kung ang temperatura ay ipinahayag sa mga degree Fahrenheit, 459.67 ºR ay dapat na maidagdag sa mga temperatura, upang dalhin ang mga ito sa ganap na temperatura sa ranggo ng Rankine.

Ang isa pang kilalang formula ng Batas ni Charles, at direktang nauugnay sa pahayag nito, ay ang mga sumusunod:

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

Kung saan ang V _t ay ang lakas ng tunog na sinakop ng isang gas sa isang tiyak na temperatura, na ipinahayag sa litro, cm ³ , atbp; at ang V _o ang lakas ng tunog na sinakop ng isang gas sa 0 ºC. Para sa bahagi nito, t ang temperatura kung saan sinusukat ang dami, na ipinahayag sa degree centigrade (ºC).

At sa wakas, 273 ay kumakatawan sa halaga ng ganap na zero sa scale ng temperatura ng Kelvin.

Eksperimento upang patunayan ang batas

Pag-mount

Pag-set up ng eksperimento upang maipakita ang batas ni Charles. Pinagmulan: Gabriel Bolívar.

Sa isang lalagyan ng tubig, na natutupad ang pag-andar ng isang paliguan ng tubig, isang bukas na silindro ay inilagay sa tuktok nito, na may isang plunger na karapat-dapat sa panloob na dingding ng silindro (itaas na imahe).

Ang piston na ito (na binubuo ng piston at ang dalawang itim na base) ay maaaring lumipat sa tuktok o ilalim ng silindro depende sa dami ng gas na nilalaman nito.

Ang paliguan ng tubig ay maaaring pinainit sa pamamagitan ng paggamit ng isang burner o pag-init ng halaman, na binigyan ng init na kinakailangan upang madagdagan ang temperatura ng paliguan at samakatuwid ang temperatura ng silindro na nilagyan ng isang plunger.

Ang isang tinukoy na masa ay inilagay sa plunger upang matiyak na ang eksperimento ay isinasagawa sa palaging presyon. Ang temperatura ng paliguan at silindro ay sinusukat sa pamamagitan ng paggamit ng isang thermometer na inilagay sa paliguan ng tubig.

Bagaman marahil ang silindro ay hindi nagkaroon ng pagtatapos upang maipakita ang dami ng hangin, maaari itong matantya sa pamamagitan ng pagsukat sa taas na naabot ng masa na inilagay sa piston at sa ibabaw ng base ng silindro.

Pag-unlad

Ang dami ng isang silindro ay nakuha sa pamamagitan ng pagpaparami ng lugar ng ibabaw ng base nito sa taas. Ang ibabaw ng base ng silindro ay maaaring makuha sa pamamagitan ng paglalapat ng pormula: S = Pi xr ² .

Habang ang taas ay nakuha sa pamamagitan ng pagsukat ng distansya mula sa base ng silindro, hanggang sa bahagi ng piston kung saan nakapatong ang masa.

Habang ang temperatura ng paliguan ay nadagdagan ng init na ginawa ng magaan, ang plunger ay sinusunod na tumaas sa loob ng silindro. Pagkatapos, nabasa nila sa thermometer ang temperatura sa paliguan ng tubig, na naaayon sa temperatura sa loob ng silindro.

Sinukat din nila ang taas ng masa sa itaas ng plunger, na tinantya ang dami ng hangin na katumbas ng sinusukat na temperatura. Sa ganitong paraan gumawa sila ng ilang mga sukat ng temperatura at mga pagtatantya ng dami ng hangin na naaayon sa bawat isa sa mga temperatura.

Gamit ito, sa wakas posible na maitaguyod na ang lakas ng tunog na nasasakop ng isang gas ay direktang proporsyonal sa temperatura nito. Ang konklusyon na ito ay pinahihintulutan na mabigkas ang tinaguriang Charles Law.

Lobo na may yelo sa taglamig

Bilang karagdagan sa nakaraang eksperimento, mayroong isang mas simple at higit na husay: na ng lobo na may yelo sa taglamig.

Kung ang isang lobo na puno ng helium ay inilalagay sa isang pinainit na silid sa taglamig, ang lobo ay magkakaroon ng isang tiyak na dami; Ngunit, kung kalaunan ay inilipat sa labas ng bahay na may mababang temperatura, mapapansin na ang helium lobo ay bumababa, binabawasan ang dami nito ayon sa Batas ni Charles.

Malutas na ehersisyo

Ehersisyo 1

Mayroong isang gas na sumasakop sa isang dami ng 750 cm ³ sa 25 ºC: ano ang magiging lakas ng tunog na nasasakop ng gas na ito sa 37 ºC kung ang presyon ay pinananatiling palagi?

Kinakailangan munang ibahin ang anyo ng mga yunit ng temperatura sa kelvin:

T ₁ sa mga degree Kelvin = 25 ºC + 273.15 ºC = 298.15 K

T ₂ sa mga degree Kelvin = 37 ºC + 273.15 ºC = 310.15 K

Dahil ang V ₁ at ang iba pang mga variable ay kilala, ang V ₂ ay nalulutas at kinakalkula sa mga sumusunod na equation:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310.15 K / 298.15 K)

= 780.86 cm ³

Mag-ehersisyo 2

Ano ang magiging temperatura sa degree centigrade kung saan 3 litro ng isang gas ang dapat na pinainit sa 32ºC, upang ang dami nito ay umaabot sa 3.2 litro?

Muli, ang mga degree centigrade ay binago sa kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273.15 ºC = 305.15 K

At tulad ng nakaraang ehersisyo, malulutas namin para sa T _{2 sa} halip na V ₂ , at kinakalkula sa ibaba:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325.49 K

Ngunit ang pahayag ay humihiling para sa degree centigrade, kaya ang yunit ng T ₂ ay binago :

T ₂ sa degree centigrade = 325, 49 º C (K) - 273.15 ºC (K)

= 52.34 ºC

Mag-ehersisyo 3

Kung ang isang gas sa 0º C ay sumasakop sa isang dami ng 50 cm ³ , anong dami ang sakupin nito sa 45ºC?

Gamit ang orihinal na pormula ng batas ni Charles:

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

Nagpapatuloy kami upang makalkula ang V _{t nang} direkta kapag ang lahat ng mga variable ay magagamit:

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

= 58.24 cm ³

Sa kabilang banda, kung ang problema ay lutasin gamit ang diskarte ng mga halimbawa 1 at 2, magkakaroon tayo:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58.24 cm ³

Ang resulta, ang paglalapat ng dalawang pamamaraan, ay pareho dahil sa huli sila ay batay sa parehong prinsipyo ng batas ni Charles.

Aplikasyon

Nais ng mga lobo

Ang mga lobo na nais (nabanggit na sa pagpapakilala) ay binigyan ng isang textile material na pinapagbinhi ng isang sunugin na likido.

Kapag ang materyal na ito ay nasusunog, may pagtaas sa temperatura ng hangin na nakapaloob sa lobo, na nagiging sanhi ng pagtaas ng dami ng gas ayon sa batas ni Charles.

Samakatuwid, habang ang dami ng hangin sa lobo ay nagdaragdag, ang density ng hangin sa lobo ay bumababa, na nagiging mas mababa sa density ng nakapalibot na hangin, at iyon ang dahilan kung bakit tumataas ang lobo.

Pop-Up o mga thermometer ng pabo

Tulad ng ipinahihiwatig ng kanilang pangalan, ginagamit ang mga ito sa pagluluto ng mga turkey. Ang thermometer ay may isang lalagyan na naka-air na sarado na may takip at na-calibrate sa paraang sa pag-abot sa pinakamabuting kalagayan temperatura, ang takip ay itinaas ng isang tunog.

Ang thermometer ay inilalagay sa loob ng pabo, at habang ang temperatura sa loob ng oven ay nagdaragdag, ang hangin sa loob ng thermometer ay lumalawak, nadaragdagan ang dami nito. Pagkatapos kapag ang lakas ng tunog ay umabot sa isang tiyak na halaga, ginagawa niya ang takip ng pag-angat ng thermometer.

Pagpapanumbalik ng hugis ng mga bola na ping-pong

Ang mga bola na ping-pong, depende sa mga kinakailangan ng kanilang paggamit, ay magaan ang timbang at ang kanilang mga plastik na pader ay payat. Ito ay nagiging sanhi na kapag sila ay tinamaan ng mga racket ay nagdurusa sila ng mga pagpapapangit.

Sa pamamagitan ng paglalagay ng mga deformed na bola sa mainit na tubig, ang hangin sa loob ay nagpapainit at lumalawak, na humahantong sa pagtaas ng dami ng hangin. Nagdudulot din ito sa pader ng mga bola ng ping-pong, na nagpapahintulot sa kanila na bumalik sa kanilang orihinal na hugis.

Paggawa ng tinapay

Ang mga lebadura ay isinama sa harina ng trigo na ginagamit upang gumawa ng tinapay at may kakayahang makagawa ng carbon dioxide gas.

Habang tumataas ang temperatura ng mga tinapay sa pagluluto sa hurno, tumataas ang dami ng carbon dioxide. Dahil dito ay lumalawak ang tinapay hanggang sa maabot nito ang nais na dami.

Mga Sanggunian

1. Clark J. (2013). Iba pang mga batas sa gas - Batas ni Boyle at Batas ni Charles '. Nabawi mula sa: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Batas ni Charles '. Nabawi mula sa: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Batas ni Charles. Nabawi mula sa: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (Disyembre 27, 2018). Ano ang Formula para sa Batas ni Charles? Nabawi mula sa: thoughtco.com
5. N. De Leon. (sf). Batas sa Elementong Gas: Charles Law. C 101 Mga Tala sa Klase. Nabawi mula sa: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Batas ni Charles. Nabawi mula sa: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Physicalicochemistry para sa mga biologist. (2 ^da edition). Editoryal na Reverté, SA