KAROLIO DĖSNIS: FORMULĖS IR VIENETAI, EKSPERIMENTAS, PRATYBOS - CHEMIJA - 2025

Charles įstatymas ar Guy-Lussac yra vienas, kad leidžia viename iš dujinės būsenos savybių pareiškimą: apimtis užima iki dujų, yra tiesiogiai proporcingas ne nuolat slėgio temperatūros.

Šis proporcingumas yra linijinis visuose temperatūros diapazonuose, jei atitinkamos dujos yra idealios; atvirkščiai, tikrosios dujos nukrypsta nuo tiesinės tendencijos esant temperatūrai šalia jų rasos taško. Tačiau tai neribojo šio įstatymo taikymo daugybei programų, susijusių su dujomis.

Kinietiški žibintai ar pageidaujami balionai. Šaltinis: Pxhere.

Vienas esminių Charleso įstatymų taikymo būdų yra oro balionai. Kiti paprastesni balionai, tokie kaip norų balionai, dar vadinami kinietiškais žibintais (vaizdas viršuje), parodo ryšį tarp dujų tūrio ir temperatūros esant pastoviam slėgiui.

Kodėl esant nuolatiniam slėgiui? Nes jei slėgis padidėtų, tai reikštų, kad indas, kuriame yra dujos, yra hermetiškai uždarytas; ir dėl to padidėtų dujinių dalelių susidūrimai ar poveikis prieš minėto konteinerio vidines sienas (Boyle-Mariotte įstatymas).

Todėl dujų užimamas tūris nepakistų, trūktų Charleso įstatymo. Priešingai nei hermetiškas indas, pageidavimų balionų audinys yra kilnojamasis barjeras, kuris gali išsiplėsti ar susitraukti priklausomai nuo vidinio dujų slėgio.

Tačiau plečiantis baliono audiniui, vidinis dujų slėgis išlieka pastovus, nes plotas, per kurį susiduria jo dalelės, padidėja. Kuo aukštesnė dujų temperatūra, tuo didesnė dalelių kinetinė energija, taigi ir susidūrimų skaičius.

O balionui vėl plečiantis, susidūrimai su jo vidinėmis sienomis išlieka (idealiu atveju) pastovūs.

Taigi, kuo karštesnės dujos, tuo didesnis bus baliono išsiplėtimas ir tuo aukščiau jis pakils. Rezultatas: rausvos (nors ir pavojingos) lemputės buvo pakabintos danguje gruodžio naktimis.

Koks yra Charleso įstatymas?

Pareiškimas

Vadinamasis Karolio įstatymas arba Gėjų-Lussako įstatymas paaiškina priklausomybę, egzistuojančią tarp dujų užimto ​​tūrio ir jos absoliučiosios temperatūros arba Kelvino temperatūros.

Įstatymą galima išdėstyti taip: jei slėgis išlieka pastovus, įsitikinama, kad „tam tikrai dujų masei jos tūris padidėja maždaug 1/273 karto daugiau nei tūris esant 0 ° C, kiekvienam laipsniui Celsijaus ( 1 ºC), kad padidėtų jo temperatūra “.

Darbai

Įstatymą nustatęs tiriamasis darbas buvo pradėtas 1780-aisiais. Žakas Aleksandras Cezaris Charlesas (1746–1823). Tačiau Charlesas neskelbė savo tyrimų rezultatų.

Vėliau Johnas Daltonas 1801 m. Sugebėjo eksperimentiškai nustatyti, kad visos jo ištirtos dujos ir garai išsiplečia tarp dviejų nustatytų temperatūrų tuo pačiu tūrio kiekiu. Šiuos rezultatus patvirtino Gay-Lussac 1802 m.

Charleso, Daltono ir Gay-Lussaco tyrimų darbai leido nustatyti, kad dujų užimamas tūris ir jo absoliuti temperatūra yra tiesiogiai proporcingi. Todėl tarp temperatūros ir dujų tūrio yra tiesinis ryšys.

Grafikas

T vs V diagrama idealiosioms dujoms. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Grafikas (viršutinis vaizdas), pagal kurį dujų tūris atitinka temperatūrą, sukuria tiesę. Linijos sankirta su X ašimi esant 0ºC temperatūrai leidžia gauti dujų tūrį 0ºC temperatūroje.

Panašiai linijos susikirtimas su X ašimi duotų informacijos apie temperatūrą, kuriai esant dujų tūris būtų lygus nuliui. Daltonas įvertino šią vertę esant -266 ° C, artimą Kelvino siūlomai absoliučios nulio reikšmei (0).

Kelvinas pasiūlė temperatūros skalę, kurios nulis turėtų būti ta temperatūra, kurioje puikių dujų tūris būtų lygus nuliui. Tačiau esant žemai temperatūrai dujos suskystėja.

Štai kodėl negalima kalbėti apie dujų tūrį, nes absoliutaus nulio vertė turėtų būti –273,15 ºC.

Formos ir matavimo vienetai

Formulės

Šiuolaikiniame Charleso įstatyme teigiama, kad dujų tūris ir temperatūra yra tiesiogiai proporcingi.

Taigi:

V / T = k

V = dujų tūris. T = Kelvino temperatūra (K). k = proporcingumo konstanta.

Jei tūris V ₁ ir temperatūra T ₁

k = V ₁ / T ₁

Lygiai taip pat, kai tūris V ₂ ir temperatūra T ₂

k = V ₂ / T ₂

Tada sulyginus dvi turimas k lygtis

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Ši formulė gali būti parašyta taip:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Sprendžiant V ₂ , gaunama formulė:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Vienetai

Dujų tūris gali būti išreikštas litrais arba bet kuriais iš jų gautais vienetais. Taip pat tūris gali būti išreikštas kubiniais metrais arba bet kokiu išvestiniu vienetu. Temperatūra turi būti išreikšta absoliučiąja arba Kelvino temperatūra.

Taigi, jei dujų temperatūra yra išreikšta Celsijaus laipsniais arba Celsijaus skale, norint su jomis atlikti skaičiavimus, prie temperatūrų reikėtų pridėti 273,15 ºC, kad jos būtų pasiektos iki absoliučiosios temperatūros arba kelvinų.

Jei temperatūra yra išreikšta Farenheito laipsniais, prie tų temperatūrų reikėtų pridėti 459,67 ºR, kad jie būtų absoliučios temperatūros pagal Rankine skalę.

Kita gerai žinoma Karolio įstatymo formulė, tiesiogiai susijusi su jos teiginiu, yra ši:

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

Kur V _t - dujų tūris tam tikroje temperatūroje, išreikštas litrais, cm ³ ir tt; ir V _o yra dujų tūris, kurį užima 0 ° C temperatūra. Savo ruožtu t yra temperatūra, kurioje matuojamas tūris, išreikšta Celsijaus laipsniais (ºC).

Galiausiai 273 reiškia absoliučios nulio reikšmę Kelvino temperatūros skalėje.

Eksperimentas įrodyti įstatymą

Montavimas

Eksperimento, skirto parodyti Charleso įstatymą, nustatymas. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Vandens inde, kuris atliko vandens vonios funkciją, jo viršuje buvo įdėtas atviras cilindras su stūmokliu, pritvirtintu prie cilindro vidinės sienos (vaizdas viršutinis).

Šis stūmoklis (sudarytas iš stūmoklio ir dviejų juodų pagrindų) galėtų judėti cilindro viršaus arba apačios link, priklausomai nuo jame esančių dujų tūrio.

Vandens vonią galima pašildyti naudojant degiklį ar šildymo įrenginį, kuris tiekė reikiamą šilumą vonios temperatūrai, taigi ir cilindro su stūmokliu temperatūrai padidinti.

Tam, kad eksperimentas būtų atliktas esant pastoviam slėgiui, stūmoklis buvo dedamas į nustatytą masę. Vonios ir cilindro temperatūra buvo matuojama termometru, įdėtu į vandens vonią.

Nors balionas greičiausiai neturėjo gradacijos oro tūriui parodyti, tai buvo galima įvertinti išmatuojant aukštį, pasiektą masės, esančios ant stūmoklio, ir cilindro pagrindo paviršiaus.

Plėtra

Baliono tūris gaunamas padauginus iš jo paviršiaus paviršiaus plotą iš jo aukščio. Baliono pagrindo paviršių galima gauti naudojant formulę: S = Pi xr ² .

Aukštis gaunamas matuojant atstumą nuo cilindro pagrindo iki stūmoklio dalies, ant kurios stovi masė.

Kadangi vonios temperatūrą padidino žiebtuvėlio skleidžiama šiluma, buvo pastebėta, kad stūmoklis pakilo cilindro viduje. Tada termometre jie nuskaito temperatūrą vandens vonioje, kuri atitiko temperatūrą cilindro viduje.

Jie taip pat išmatavo masės aukštį virš stūmoklio, kad galėtų įvertinti oro tūrį, kuris atitiko išmatuotą temperatūrą. Tokiu būdu jie atliko keletą temperatūros matavimų ir įvertino oro tūrį, atitinkantį kiekvieną iš temperatūrų.

Pagal tai buvo įmanoma įsitikinti, kad dujų užimamas tūris yra tiesiogiai proporcingas jų temperatūrai. Ši išvada leido atskleisti vadinamąjį Karolio įstatymą.

Balionas su ledu žiemą

Be ankstesnio eksperimento, yra ir paprastesnis bei kokybiškesnis: balionas su ledu žiemą.

Jei žiemą dedamas helio užpildytas balionas šildomoje patalpoje, balionas turėtų tam tikrą tūrį; Bet jei jis vėliau būtų perkeltas už namo esant žemai temperatūrai, būtų pastebima, kad helio balionas susitraukia, sumažindamas jo tūrį pagal Karolio įstatymą.

Išspręsta mankšta

1 pratimas

Yra dujų, kurių 25 ° C temperatūra užima 750 cm ³ tūrį : koks bus šių dujų tūris, kai temperatūra 37 ° C, jei slėgis bus pastovus?

Pirmiausia būtina transformuoti temperatūros vienetus į kelvinus:

T ₁ Kelvino laipsniais = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T ₂ Kelvino laipsniais = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

Kadangi V ₁ ir kiti kintamieji yra žinomi, V ₂ išsprendžiamas ir apskaičiuojamas pagal šią lygtį:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

2 pratimas

Kokia būtų temperatūra laipsniais Celsijaus, kuriai esant 3 litrai dujų turėtų būti įkaitinti iki 32ºC, kad jų tūris padidėtų iki 3,2 litro?

Vėlgi, Celsijaus laipsniai paverčiami kelvinu:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

Ir kaip ankstesniame pratime, mes sprendžiame "T ₂ V vietoj ₂ , ir ji apskaičiuojama žemiau:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Tačiau pareiškime reikalaujama laipsnių Celsijaus, todėl T ₂ vienetas yra keičiamas :

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

= 52,34 ºC

3 pratimas

Jei dujos 0ºC temperatūroje užima 50 cm ³ tūrį, kokį tūrį jos užims 45ºC temperatūroje?

Naudojant originalią Karolio dėsnio formulę:

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

Mes skaičiuojame V _t tiesiogiai, kai yra visi kintamieji:

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

= 58,24 cm ³

Kita vertus, jei problema bus išspręsta naudojant 1 ir 2 pavyzdžių strategiją, mes turėsime:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Rezultatas, taikant dvi procedūras, yra tas pats, nes galiausiai jos grindžiamos tuo pačiu Karolio įstatymo principu.

Programos

Palinkėti balionai

Pageidavimų balionai (jau minėti įvade) yra aprūpinti tekstilės medžiaga, įmirkyta degiu skysčiu.

Kai ši medžiaga uždegama, padidėja oro, esančio balione, temperatūra, dėl kurios pagal Karolio įstatymą padidėja dujų tūris.

Todėl, didėjant oro tūriui balione, mažėja jame esančio oro tankis, kuris tampa mažesnis už aplinkinio oro tankį, todėl balionas pakyla.

Pop-up arba kalakutienos termometrai

Kaip rodo jų pavadinimas, jie naudojami kepant kalakutą. Termometras turi oru užpildytą talpyklą, uždarytą dangteliu ir yra sukalibruotas taip, kad pasiekus optimalią kepimo temperatūrą dangtis būtų pakeliamas garsu.

Termometras įdedamas į kalakutienos vidų, o kylant temperatūrai krosnies viduje, oras termometro viduje plečiasi, didėjant jo tūriui. Tada, kai oro tūris pasiekia tam tikrą vertę, jis priverčia termometro dangtį.

Atkurti ping-pong kamuoliukų formą

„Ping-pong“ rutuliai, atsižvelgiant į jų naudojimo reikalavimus, yra lengvi, o jų plastikinės sienos yra plonos. Tai lemia, kad nukentėjus nuo raketės jie patiria deformacijas.

Įdedant deformuotus rutulius į karštą vandenį, oras viduje sušyla ir plečiasi, todėl padidėja oro tūris. Tai taip pat lemia, kad ping-pong kamuoliukų siena išsitempia ir leidžia jiems grįžti į pradinę formą.

Duonos gaminimas

Mielės yra įmaišomos į kvietinius miltus, kurie naudojami duonai gaminti ir kurie gali gaminti anglies dioksido dujas.

Kai kepama kepalų temperatūra, padidėja anglies dioksido tūris. Dėl šios priežasties duona plečiasi, kol pasiekia norimą tūrį.

Nuorodos

1. Clarkas J. (2013). Kiti dujų įstatymai - Boyle'io ir Charleso įstatymai. Atgauta iš: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018 m.). Karolio įstatymas. Atkurta iš: scienceprimer.com
3. Vikipedija. (2019 m.). Karolio įstatymas. Atkurta iš: en.wikipedia.org
4. Helmenstinas, Todas. (2018 m. Gruodžio 27 d.). Kokia yra Karolio įstatymo formulė? Atgauta iš: thinkco.com
5. N. De Leon prof. (sf). Elementarūs dujų įstatymai: Karolio įstatymas. C 101 klasės užrašai. Atgauta iš: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018 m.). Karolio įstatymas. Atkurta iš: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fizikochemija biologams. (2 ^da leidimas). Redakcija Reverté, SA