CHARLES YASASI: FORMÜLLER VE BIRIMLER, DENEY, ALIŞTIRMALAR - KIMYA - 2025

Charles yasası hacmi işgal: ya Guy-Lussac gaz devletin birimlerinden birinin ifadesi verir biridir tarafından gaz sabit basınçta sıcaklık ile doğru orantılıdır.

Söz konusu gaz ideal ise, bu orantılılık tüm sıcaklık aralıkları için doğrusaldır; Öte yandan gerçek gazlar, çiğlenme noktalarına yakın sıcaklıklarda doğrusal eğilimden sapar. Bununla birlikte, bu, gazları içeren sayısız uygulama için bu yasanın kullanımını sınırlamaz.

Çin fenerleri veya dilek balonları. Kaynak: Pxhere.

Charles yasasının en önemli uygulamalarından biri hava balonlarıdır. Çin fenerleri olarak da adlandırılan dilek balonları gibi diğer daha basit balonlar (üstteki resim), sabit basınçta bir gazın hacmi ve sıcaklığı arasındaki ilişkiyi ortaya koymaktadır.

Neden sabit basınçta? Çünkü basınç artarsa, bu, gazın bulunduğu kabın hava geçirmez şekilde kapatıldığı anlamına gelir; ve bununla, gaz halindeki parçacıkların söz konusu kabın iç duvarlarına çarpması veya çarpması artacaktır (Boyle-Mariotte yasası).

Bu nedenle, gazın kapladığı hacimde bir değişiklik olmayacak ve Charles yasası eksik olacaktır. Hava geçirmez bir kaptan farklı olarak, dilek balonlarının kumaşı, içindeki gazın uyguladığı basınca bağlı olarak genişleyebilen veya daralabilen hareketli bir bariyeri temsil eder.

Bununla birlikte, balon dokusu genişledikçe, gazın iç basıncı sabit kalır çünkü parçacıklarının çarpıştığı alan artar. Gazın sıcaklığı ne kadar yüksekse, parçacıkların kinetik enerjisi ve dolayısıyla çarpışma sayısı da o kadar yüksek olur.

Ve balon tekrar genişledikçe, iç duvarlarına çarpışmalar (ideal olarak) sabit kalır.

Dolayısıyla, gaz ne kadar sıcaksa, balon o kadar genişler ve o kadar yükselir. Sonuç: Aralık geceleri gökyüzünde asılı duran kırmızımsı (tehlikeli de olsa) ışıklar.

Charles yasası nedir?

Beyan

Sözde Charles Yasası veya Gay-Lussac Yasası, bir gazın kapladığı hacim ile mutlak sıcaklığı veya Kelvin sıcaklığı değeri arasında var olan bağımlılığı açıklar.

Kanun şu şekilde ifade edilebilir: eğer basınç sabit kalırsa, “belirli bir gaz kütlesi için, hacmini 0 ° C'de her santigrat derece için hacminin yaklaşık 1/273 katı kadar arttırdığı sonucuna varılır ( 1 ºC) sıcaklığını artırmak için ”.

Meslekler

Yasayı oluşturan araştırma çalışmaları 1780'lerde Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823) tarafından başlatıldı. Ancak Charles, araştırmalarının sonuçlarını yayınlamadı.

Daha sonra, 1801'de John Dalton, kendisi tarafından incelenen tüm gazların ve buharların aynı hacim miktarında belirlenen iki sıcaklık arasında genişlediğini deneysel olarak belirlemeyi başardı. Bu sonuçlar 1802'de Gay-Lussac tarafından doğrulandı.

Charles, Dalton ve Gay-Lussac'ın araştırma çalışmaları, bir gazın kapladığı hacmin ve onun mutlak sıcaklığının doğru orantılı olduğunu tespit etmeye izin verdi. Bu nedenle, bir gazın sıcaklığı ve hacmi arasında doğrusal bir ilişki vardır.

grafik

İdeal bir gaz için T-V grafiği. Kaynak: Gabriel Bolívar.

Bir gazın hacminin sıcaklığa karşı grafiğini çizmek (üstteki resim) düz bir çizgi oluşturur. Hattın X ekseni ile 0ºC sıcaklıkta kesişmesi, 0ºC'deki gaz hacminin elde edilmesini sağlar.

Benzer şekilde, çizginin X ekseni ile kesişmesi, gazın kapladığı hacmin sıfır "0" olacağı sıcaklık hakkında bilgi verecektir. Dalton bu değeri -266 ° C'de tahmin etti, Kelvin'in mutlak sıfır (0) için önerilen değerine yakın.

Kelvin, sıfırın, mükemmel bir gazın hacminin sıfır olacağı sıcaklık olması gereken bir sıcaklık ölçeği önerdi. Ancak bu düşük sıcaklıklarda gazlar sıvılaştırılır.

Bu nedenle, mutlak sıfır değerinin -273,15 ºC olması gerektiğine karar vererek gaz hacimlerinden bu şekilde bahsetmek mümkün değildir.

Formüller ve ölçü birimleri

Formüller

Charles yasası modern versiyonunda bir gazın hacmi ve sıcaklığının doğru orantılı olduğunu belirtir.

Yani:

V / T = k

V = gaz hacmi. T = Kelvin sıcaklığı (K). k = orantılılık sabiti.

Hacim V ₁ ve sıcaklık T _{1 için}

k = V ₁ / T ₁

Benzer şekilde, hacim V ₂ ve sıcaklık T _{2 için}

k = V ₂ / T ₂

Sonra, k için iki denklemi eşitleyerek

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Bu formül şu şekilde yazılabilir:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

V _2'yi çözerek formül elde edilir:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Birimler

Gazın hacmi litre cinsinden veya türetilmiş birimlerinden herhangi biri cinsinden ifade edilebilir. Aynı şekilde, hacim metreküp veya türetilmiş herhangi bir birim olarak ifade edilebilir. Sıcaklık, mutlak sıcaklık veya Kelvin sıcaklığı olarak ifade edilmelidir.

Dolayısıyla, bir gazın sıcaklıkları santigrat derece veya Santigrat ölçeği olarak ifade edilirse, bunlarla bir hesaplama yapmak için, sıcaklıkları mutlak sıcaklıklara veya kelvin'e getirmek için 273,15 ºC miktarının eklenmesi gerekir.

Sıcaklıklar Fahrenheit derece olarak ifade edilirse, Rankine ölçeğinde mutlak sıcaklıklara getirmek için bu sıcaklıklara 459.67 ºR eklemek gerekecektir.

Charles Yasasının iyi bilinen ve doğrudan ifadesiyle ilgili bir başka formülü şudur:

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

V _t , bir gazın belirli bir sıcaklıkta kapladığı hacimdir, litre, cm ³ , vb. Cinsinden ifade edilir ; ve V _o , 0 ° C'de bir gazın kapladığı hacimdir. T kendi payına, hacmin ölçüldüğü, santigrat derece (ºC) cinsinden ifade edilen sıcaklıktır.

Son olarak 273, Kelvin sıcaklık ölçeğinde mutlak sıfır değerini temsil eder.

Yasayı kanıtlamak için deney yapın

Montaj

Charles yasasını göstermek için deney yapılıyor. Kaynak: Gabriel Bolívar.

Bir su banyosu işlevini yerine getiren bir su kabının üstüne, silindirin iç duvarına takılan bir pistonla birlikte açık bir silindir yerleştirildi (üstteki resim).

Bu piston (piston ve iki siyah tabandan oluşur) içerdiği gazın hacmine bağlı olarak silindirin üstüne veya altına doğru hareket edebilir.

Su banyosu, banyonun sıcaklığını ve dolayısıyla bir pistonla donatılmış silindirin sıcaklığını artırmak için gerekli ısıyı sağlayan bir brülör veya ısıtma tesisi kullanılarak ısıtılabilir.

Deneyin sabit basınçta yapılmasını sağlamak için piston üzerine belirlenmiş bir kütle yerleştirildi. Su banyosuna yerleştirilen bir termometre kullanılarak banyo ve silindirin sıcaklığı ölçüldü.

Silindir muhtemelen hava hacmini gösterecek bir derecelendirmeye sahip olmasa da, bu, piston üzerine yerleştirilen kütlenin ulaştığı yükseklik ve silindir tabanının yüzeyi ölçülerek tahmin edilebilir.

gelişme

Bir silindirin hacmi, tabanının yüzey alanı yüksekliği ile çarpılarak elde edilir. Silindir tabanının yüzeyi şu formül uygulanarak elde edilebilir: S = Pi xr ² .

Yükseklik, silindirin tabanından pistonun kütlenin üzerinde durduğu kısmına kadar olan mesafe ölçülerek elde edilir.

Çakmağın ürettiği ısı ile banyonun sıcaklığı arttıkça, pistonun silindir içinde yükseldiği görülmüştür. Daha sonra termometre üzerinden su banyosundaki sıcaklığı okurlar, bu da silindirin içindeki sıcaklığa karşılık gelir.

Ayrıca, ölçülen sıcaklığa karşılık gelen hava hacmini tahmin edebilmek için pistonun üzerindeki kütlenin yüksekliğini de ölçtüler. Bu şekilde, sıcaklıkların birkaç ölçümünü ve her bir sıcaklığa karşılık gelen hava hacmi tahminlerini yaptılar.

Bununla nihayet bir gazın kapladığı hacmin sıcaklığı ile doğru orantılı olduğunu tespit etmek mümkün oldu. Bu sonuç sözde Charles Yasasını açıklamaya izin verdi.

Kışın buzlu balon

Önceki deneye ek olarak, daha basit ve daha kalitatif bir tane var: kışın buz balonununki.

Kışın ısıtılmış bir odaya helyum dolu bir balon yerleştirilseydi balonun belirli bir hacmi olacaktı; Ancak daha sonra düşük sıcaklıkta evin dışına taşınmış olsaydı, helyum balonunun küçüldüğü ve Charles Yasasına göre hacminin azaldığı gözlemlenecekti.

Çözülmüş egzersizler

1. Egzersiz

25 ºC'de 750 cm ^3'lük bir hacim kaplayan bir gaz var : 37 ºC'de basınç sabit tutulursa bu gazın kapladığı hacim ne olacak?

Önce sıcaklık birimlerini kelvin'e dönüştürmek gerekir:

Kelvin derece olarak T ₁ = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

Kelvin cinsinden T ₂ = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

V ₁ ve diğer değişkenler bilindiğinden, V ₂ aşağıdaki denklem ile çözülür ve hesaplanır:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Egzersiz 2

3 litre gazın hacminin 3,2 litreye çıkması için 32ºC'ye ısıtılması gereken santigrat derece cinsinden sıcaklık ne olur?

Yine, santigrat derece Kelvin'e dönüştürülür:

T ₁ = 32ºC + 273,15ºC = 305,15 K

Ve önceki alıştırmada olduğu gibi , V ₂ yerine T ₂ için çözüyoruz ve aşağıda hesaplanıyor:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Ancak ifade santigrat derece ister, bu nedenle T _2'nin birimi değiştirilir :

Santigrat derece cinsinden T ₂ = 325, 49º C (K) - 273.15ºC (K)

= 52,34 ºC

Egzersiz 3

0ºC'deki bir gaz 50 cm ^3'lük bir hacmi kaplarsa, 45ºC'de hangi hacmi kaplar?

Charles yasasının orijinal formülünü kullanarak:

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

Tüm değişkenler mevcut olduğunda V _t'yi doğrudan hesaplamaya devam ediyoruz :

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

= 58,24 cm ³

Öte yandan, örnek 1 ve 2'deki strateji kullanılarak sorun çözülürse, elimizde:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

İki prosedürü uygulayan sonuç aynıdır çünkü sonuçta Charles yasasının aynı prensibine dayanmaktadırlar.

Uygulamalar

Dilek balonları

Dilek balonları (girişte daha önce bahsedilmiştir) yanıcı bir sıvı ile emprenye edilmiş bir tekstil malzemesi ile donatılmıştır.

Bu malzeme ateşe verildiğinde balonun içerdiği havanın sıcaklığında bir artış olur ve bu da Charles yasasına göre gazın hacminde artışa neden olur.

Bu nedenle balonun içindeki hava hacmi arttıkça, içindeki havanın yoğunluğu azalır, bu da çevreleyen havanın yoğunluğundan daha az olur ve bu yüzden balon yükselir.

Pop-Up veya hindi termometreler

Adından da anlaşılacağı gibi hindilerin pişirilmesinde kullanılırlar. Termometrenin kapakla kapatılmış hava dolu bir kabı vardır ve optimum pişirme sıcaklığına ulaşıldığında kapak bir sesle kaldırılacak şekilde kalibre edilmiştir.

Termometre hindi içine yerleştirilir ve fırın içindeki sıcaklık arttıkça termometre içindeki hava genişleyerek hacmini arttırır. Daha sonra hava hacmi belirli bir değere ulaştığında termometrenin kapağını kaldırır.

Ping-pong toplarının şeklini geri yükleme

Ping-pong topları, kullanım gereksinimlerine bağlı olarak hafiftir ve plastik duvarları incedir. Bu da raketlere çarptığında deformasyona uğramasına neden olur.

Deforme olmuş bilyelerin sıcak suya yerleştirilmesiyle, içerideki hava ısınır ve genişler, bu da hava hacminin artmasına neden olur. Bu aynı zamanda pinpon toplarının duvarının gerilmesine ve orijinal şekillerine dönmelerine neden olur.

Ekmek yapımı

Mayalar, ekmek yapımında kullanılan ve karbondioksit gazı üretme kabiliyetine sahip buğday ununa dahil edilir.

Pişirme sırasında somunların sıcaklığı arttıkça karbondioksit hacmi de artar. Bu nedenle ekmek istenilen hacme gelene kadar genişler.

Referanslar

1. Clark J. (2013). Diğer gaz yasaları - Boyle Yasası ve Charles Yasası. Kurtarıldı: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Charles Yasası. Kurtarıldı: scienceprimer.com
3. Vikipedi. (2019). Charles Law. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
4. Helmenstine, Todd. (27 Aralık 2018). Charles Yasasının Formülü Nedir? Kurtarıldı: thinkco.com
5. Prof. N. De Leon. (Sf). Temel Gaz Yasaları: Charles Yasası. C 101 Sınıf Notları. Kurtarıldı: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Kurtarıldı: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Biyologlar için fizikokimya. (2 ^da baskı). Editör Reverté, SA