KAARLEN LAKI: KAAVAT JA YKSIKÖT, KOKEILU, HARJOITUKSET - KEMIA

Laki Charles tai Guy-Lussac on sellainen, joka mahdollistaa selvitys yhden ominaisuuksien kaasumaisessa tilassa: viemä tilavuus jota kaasua on suoraan verrannollinen lämpötilaan vakiopaineessa.

Tämä suhteellisuus on lineaarinen kaikille lämpötila-alueille, jos kyseinen kaasu on ihanteellista; toisaalta todelliset kaasut poikkeavat lineaarisesta trendistä lämpötiloissa lähellä niiden kastepistettä. Tämä ei kuitenkaan ole rajoittanut tämän lain käyttöä lukemattomiin kaasuihin liittyviin sovelluksiin.

Kiinalaiset lyhdyt tai toivepallot. Lähde: Pxhere.

Yksi Charlesin lain keskeisistä sovelluksista on ilmapalloissa. Muut yksinkertaisemmat ilmapallot, kuten toivepallot, joita kutsutaan myös kiinalaisiksi lyhtyiksi (yläkuva), paljastavat kaasun tilavuuden ja lämpötilan suhteen vakiopaineessa.

Miksi jatkuvassa paineessa? Koska paine kasvaa, se tarkoittaisi, että säiliö, jossa kaasu sijaitsee, on ilmatiiviisti suljettu; ja tällä tavalla kaasumaisten hiukkasten törmäykset tai vaikutukset mainitun säiliön sisäseiniä vastaan lisääntyisivät (Boyle-Mariotte-laki).

Siksi kaasun käyttämässä määrässä ei olisi muutoksia, ja Kaarlen laki puuttuisi. Toisin kuin ilmatiivis säiliö, toivepallojen kangas edustaa liikkuvaa estettä, joka pystyy laajentumaan tai supistumaan riippuen kaasun sisäisestä paineesta.

Kuitenkin, kun ilmapallokudos laajenee, kaasun sisäinen paine pysyy vakiona, koska alue, jonka yli sen hiukkaset törmäävät, kasvaa. Mitä korkeampi kaasun lämpötila, sitä suurempi hiukkasten kineettinen energia ja siten törmäysten lukumäärä.

Ja kun pallo laajenee uudelleen, törmäykset sen sisäseiniä vastaan pysyvät (ihannetapauksessa) vakiona.

Joten mitä kuumempi kaasu on, sitä suurempi pallo on ja sitä korkeammin se nousee. Tulos: punaiset (vaikkakin vaaralliset) valot ripustettiin taivaalle joulukuun iltaisin.

Mikä on Kaarlen laki?

selvitys

Ns. Kaarlen laki tai Gay-Lussacin laki selittää riippuvuuden, joka esiintyy kaasun käyttämän tilavuuden ja sen absoluuttisen lämpötilan tai Kelvin-lämpötilan arvon välillä.

Laki voidaan sanoa seuraavalla tavalla: jos paine pysyy vakiona, on vakuuttunut siitä, että ”tietyllä kaasun massalla se kasvattaa sen tilavuutta noin 1/273 kertaa tilavuudestaan 0 ºC: ssa, jokaisesta celsiusasteesta (1 ºC) lämpötilan nostamiseksi ”.

Työpaikat

Lain perustaneen tutkimuksen aloitti 1780-luvulla Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Charles ei kuitenkaan julkaissut tutkimustensa tuloksia.

Myöhemmin John Dalton vuonna 1801 onnistui kokeellisesti määrittämään, että kaikki hänen tutkimansa kaasut ja höyryt leviävät kahden määritetyn lämpötilan välillä samassa tilavuusmäärässä. Gay-Lussac vahvisti nämä tulokset vuonna 1802.

Charlesin, Daltonin ja Gay-Lussacin tutkimustyöt antoivat mahdollisuuden todeta, että kaasun käyttämä tilavuus ja sen absoluuttinen lämpötila ovat suoraan verrannollisia. Siksi lämpötilan ja kaasun tilavuuden välillä on lineaarinen suhde.

kaavio

Kaavio T vs V ihanteellisesta kaasusta. Lähde: Gabriel Bolívar.

Kaaviota (yläkuva) kaasun tilavuus lämpötilaa vastaan tuottaa suoran. Linjan ja X-akselin leikkauspiste 0 ° C: n lämpötilassa sallii kaasun tilavuuden saavuttamisen 0 ° C: ssa.

Samoin linjan leikkaus X-akseliin antaisi tietoa lämpötilasta, jolle kaasun käyttämä tilavuus olisi nolla "0". Dalton arvioi tämän arvon -266 ° C: seen, lähellä Kelvinin ehdottamaa absoluuttisen nollan arvoa (0).

Kelvin ehdotti lämpötila-asteikkoa, jonka nollan tulisi olla lämpötila, jossa täydellisen kaasun tilavuus olisi nolla. Mutta näissä alhaisissa lämpötiloissa kaasut nesteytyvät.

Siksi ei voida puhua kaasumääristä sellaisenaan, koska absoluuttisen nollan arvon tulisi olla -273,15 ºC.

Kaavat ja mittayksiköt

kaavat

Kaarlen laki sen nykyisessä versiossa toteaa, että kaasun tilavuus ja lämpötila ovat suoraan verrannollisia.

Niin:

V / T = k

V = kaasun tilavuus. T = Kelvin-lämpötila (K). k = suhteellisuusvakio.

Tilavuudelle V ₁ ja lämpötilaan T ₁

k = V ₁ / T ₁

Samoin, tilavuudessa V ₂ ja lämpötilassa T ₂

k = V ₂ / T ₂

Sitten yhtälöttäessä kaksi k: n yhtälöä meillä

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Tämä kaava voidaan kirjoittaa seuraavasti:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

V _{2: n} ratkaisemiseksi saadaan kaava:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

yksiköt

Kaasun tilavuus voidaan ilmaista litroina tai millä tahansa siitä johdetulla yksiköllä. Samoin tilavuus voidaan ilmaista kuutiometreinä tai millä tahansa johdetulla yksiköllä. Lämpötila on ilmaistava absoluuttisessa lämpötilassa tai Kelvin-lämpötilassa.

Joten jos kaasun lämpötilat ilmaistaan celsiusasteina tai Celsius-asteikkona, laskelman suorittamiseksi niiden kanssa, lämpötiloihin olisi lisättävä määrä 273,15 ºC, jotta ne saadaan absoluuttisiksi lämpötiloiksi tai kelviniksi.

Jos lämpötilat ilmaistaan Fahrenheit-asteina, näihin lämpötiloihin olisi lisättävä 459,67 ºR, jotta ne saadaan absoluuttisiksi lämpötiloiksi Rankine-asteikolla.

Toinen tunnettu Kaarlen lain kaava, joka liittyy suoraan sen lausuntoon, on seuraava:

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

Jossa V _t on viemä tilavuus kaasua tietyssä lämpötilassa, joka ilmaistaan litroina, cm ³, jne.; ja V _o on kaasun käyttämä tilavuus 0 ° C: ssa. T on puolestaan lämpötila, jossa tilavuus mitataan, ilmaistuna celsiusasteina (ºC).

Ja lopuksi, 273 edustaa absoluuttisen nollan arvoa Kelvin-lämpötila-asteikolla.

Koe lain todistamiseksi

Asennus

Kokeen järjestäminen Charlesin lain osoittamiseksi. Lähde: Gabriel Bolívar.

Vesisäiliössä, joka suoritti vesihauteen toiminnan, sen yläosaan sijoitettiin avoin sylinteri, männällä, joka kiinnitettiin sylinterin sisäseinään (ylempi kuva).

Tämä mäntä (koostuu mäntä ja kaksi mustaa alustaa) voisi liikkua kohti sylinterin ylä- tai alaosaa sen sisältämän kaasumäärän mukaan.

Vesihaude voidaan lämmittää käyttämällä poltinta tai lämmityslaitosta, joka toimitti tarvittavaa lämpöä hauteen lämpötilan ja siten männällä varustetun sylinterin lämpötilan nostamiseksi.

Määrätty massa asetettiin mäntään sen varmistamiseksi, että koe suoritettiin vakiopaineessa. Kylvyn ja sylinterin lämpötila mitattiin vesihauteeseen asetetulla lämpömittarilla.

Vaikka sylinterillä ei todennäköisesti ollut asteikkoa ilmamäärän näyttämiseksi, tämä voitiin estimoida mittaamalla mäntään asetetun massan saavuttama korkeus ja sylinterin pohjan pinta.

kehitys

Sylinterin tilavuus saadaan kertomalla pohjan pinta-ala sen korkeudella. Sylinteripohjan pinta voidaan saada käyttämällä kaavaa: S = Pi xr ².

Vaikka korkeus saadaan mittaamalla etäisyys sylinterin pohjasta männän siihen osaan, jolla massa lepää.

Kun sytyttimen tuottama lämpö nosti kylvyn lämpötilaa, männän havaittiin nousevan sylinterin sisällä. Sitten he lukevat lämpömittarilta lämpötilan vesihauteessa, joka vastasi lämpötilaa sylinterin sisällä.

He mittasivat myös massan korkeuden männän yläpuolella pystyäkseen arvioimaan ilmamäärän, joka vastasi mitattua lämpötilaa. Tällä tavoin he tekivät useita lämpötilan mittauksia ja arvioivat ilman tilavuutta kutakin lämpötilaa vastaavasti.

Tämän avulla lopulta oli mahdollista todeta, että kaasun käyttämä tilavuus on suoraan verrannollinen sen lämpötilaan. Tämä päätelmä antoi mahdollisuuden ilmaista ns Charlesin laki.

Ilmapallo jäällä talvella

Edellisen kokeen lisäksi on olemassa yksinkertaisempi ja laadukkaampi: talvella jääpallo.

Jos heliumilla täytetty ilmapallo laitettaisiin talvella lämmitettyyn huoneeseen, palloilla olisi tietty tilavuus; Mutta jos sitä siirretään myöhemmin talon ulkopuolelle matalalla lämpötilalla, voidaan havaita, että heliumipallo kutistuu vähentäen sen tilavuutta Charlesin lain mukaan.

Ratkaistuja harjoituksia

Harjoitus 1

On kaasua, jonka tilavuus on 750 cm ³ 25 ºC: ssa: minkä tilavuuden tämä kaasu käyttää 37 ºC: ssa, jos paine pidetään vakiona?

Ensin on tarpeen muuttaa lämpötilayksiköt kelviniksi:

T ₁ Kelvin-asteina = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T ₂ Kelvin-asteina = 37 ° C + 273,15 ° C = 310,15 K

Koska V ₁ ja muut muuttujat tunnetaan, V ₂ ratkaistaan ja lasketaan seuraavalla yhtälöllä:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Harjoitus 2

Mikä olisi lämpötila celsiusasteina, johon 3 litraa kaasua tulisi lämmittää 32ºC: seen, niin että sen tilavuus kasvaa 3,2 litraan?

Jälleen celsiusaste muuttuu kelviniksi:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

Ja kuten edellisessä tehtävässä, ratkaisemme T ₂: n V _{2: n} sijaan, ja se lasketaan alla:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁)

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Mutta lausunnossa vaaditaan celsiusasteita, joten T ₂: n yksikkö muuttuu:

T ₂ celsiusasteina = 325, 49 ºC (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ° C

Harjoitus 3

Jos kaasu, jonka lämpötila on 0ºC, vie 50 cm ^{3: n} tilavuuden, minkä tilavuuden se käyttää 45ºC: n lämpötilassa?

Kaarlen lain alkuperäisen kaavan avulla:

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

Siirrymme Laske V _t suoraan, kun kaikki muuttujat ovat käytettävissä:

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

= 58,24 cm ³

Toisaalta, jos ongelma ratkaistaan esimerkkien 1 ja 2 strategiaa käyttämällä, meillä on:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁)

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Tulos, kun sovelletaan kahta menettelytapaa, on sama, koska viime kädessä ne perustuvat samaan Charlesin lain periaatteeseen.

Sovellukset

Toive ilmapalloja

Toivepallot (jo mainittiin johdannossa) on varustettu tekstiilimateriaalilla, joka on kyllästetty palavalla nesteellä.

Kun tämä materiaali syttyy tuleen, ilmapalloissa olevan ilman lämpötila nousee, mikä aiheuttaa kaasun määrän lisääntymisen Charlesin lain mukaan.

Siksi, kun ilmatilavuus ilmapalloissa kasvaa, ilmapallon ilman tiheys vähenee, josta tulee pienempi kuin ympäröivän ilman tiheys, ja siksi ilmapallo nousee.

Pop-Up tai kalkkuna lämpömittarit

Kuten nimensä osoittavat, niitä käytetään kalkkunoiden keittämisen aikana. Lämpömittarissa on ilma-täytetty astia, joka on suljettu kannella, ja se on kalibroitu siten, että saavuttaessa optimaalinen kypsennyslämpötila, kansi nostetaan äänellä.

Lämpömittari asetetaan kalkkunan sisään, ja lämpötilan noustessa uunissa lämpömittarin sisällä oleva ilma laajenee lisäämällä sen tilavuutta. Sitten kun ilman tilavuus saavuttaa tietyn arvon, hän nostaa lämpömittarin kannen.

Pingpongipallojen muodon palauttaminen

Ping-pong-pallot ovat niiden käytön vaatimuksista riippuen kevyitä ja niiden muoviseinät ovat ohuet. Tämä aiheuttaa, että mailat kärsivät heistä muodonmuutoksia.

Asettamalla muodonmuutos pallot kuumaan veteen, sisäilma kuumenee ja laajenee, mikä johtaa ilmamäärän kasvuun. Tämä aiheuttaa myös pingispallopallien seinämän venymisen, jolloin ne voivat palata alkuperäiseen muotoonsa.

Leivän valmistus

Hiivat sisällytetään vehnäjauhoihin, joita käytetään leivän tekemiseen ja joilla on kyky tuottaa hiilidioksidikaasua.

Kun leipien lämpötila nousee paistamisen aikana, hiilidioksidin tilavuus kasvaa. Juuri tästä syystä leipä laajenee, kunnes se saavuttaa halutun määrän.

Viitteet

Clark J. (2013). Muut kaasulait - Boylen laki ja Charlesin laki. Palautettu: kemguide.co.uk
Staroscik Andrew. (2018). Kaarlen laki. Palautettu osoitteesta: scienceprimer.com
Wikipedia. (2019). Charles Law. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
Helmenstine, Todd. (27. joulukuuta 2018). Mikä on Charlesin lain kaava? Palautettu osoitteesta: gondo.com
Professori N. De Leon. (SF). Alkuperäiset kaasulait: Charles Law. C 101 -luokan huomautukset. Palautettu: iun.edu
Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Palautettu osoitteesta: euston96.com
Morris, JG (1974). Fysiologinen kemia biologille. (2 ^da painos). Toimituksellinen Reverté, SA

KAARLEN LAKI: KAAVAT JA YKSIKÖT, KOKEILU, HARJOITUKSET - KEMIA - 2026