DE WET VAN CHARLES: FORMULES EN EENHEDEN, EXPERIMENT, OEFENINGEN - CHEMIE - 2026

De wet van Charles of Guy-Lussac is er een die het mogelijk maakt om een ​​van de eigenschappen van de gasvormige toestand te verklaren: het volume dat door een gas wordt ingenomen, is recht evenredig met de temperatuur bij constante druk.

Deze proportionaliteit is lineair voor alle temperatuurbereiken als het gas in kwestie ideaal is; echte gassen wijken daarentegen af ​​van de lineaire trend bij temperaturen in de buurt van hun dauwpunt. Dit heeft het gebruik van deze wet echter niet beperkt voor een groot aantal toepassingen met gassen.

Chinese lantaarns of wensballonnen. Bron: Pxhere.

Een van de typische toepassingen van de wet van Charles is in luchtballonnen. Andere eenvoudigere ballonnen, zoals de wensballonnen, ook wel Chinese lantaarns genoemd (bovenste afbeelding), tonen de relatie tussen het volume en de temperatuur van een gas bij constante druk.

Waarom bij constante druk? Want als de druk zou toenemen, zou dit betekenen dat de container waarin het gas zich bevindt hermetisch is afgesloten; en daarmee zouden de botsingen of stoten van de gasvormige deeltjes tegen de binnenwanden van genoemde container toenemen (wet van Boyle-Mariotte).

Daarom zou er geen verandering zijn in het volume dat door het gas wordt ingenomen, en de wet van Charles zou ontbreken. In tegenstelling tot een luchtdichte container, vertegenwoordigt het weefsel van de wensballonnen een mobiele barrière die kan uitzetten of krimpen afhankelijk van de druk die wordt uitgeoefend door het gas binnenin.

Naarmate het ballonweefsel echter uitzet, blijft de inwendige druk van het gas constant omdat het gebied waar de deeltjes op botsen toeneemt. Hoe hoger de temperatuur van het gas, hoe hoger de kinetische energie van de deeltjes, en dus het aantal botsingen.

En terwijl de ballon weer uitzet, blijven de botsingen tegen de binnenwanden (idealiter) constant.

Dus hoe heter het gas, hoe groter de uitzetting van de ballon en hoe hoger hij zal stijgen. Het resultaat: roodachtige (hoewel gevaarlijke) lichten die in decemberavonden in de lucht hangen.

Wat is de wet van Charles?

Uitspraak

De zogenaamde Charles's Law of Gay-Lussac's Law verklaart de afhankelijkheid die bestaat tussen het volume dat door een gas wordt ingenomen en de waarde van de absolute temperatuur of Kelvin-temperatuur.

De wet kan als volgt worden geformuleerd: als de druk constant blijft, is men ervan overtuigd dat “voor een gegeven massa van een gas, het zijn volume met ongeveer 1/273 maal zijn volume bij 0 ºC verhoogt, voor elke graad Celsius ( 1 ºC) om de temperatuur te verhogen ”.

Jobs

Het onderzoekswerk dat de wet tot stand bracht, werd in de jaren 1780 geïnitieerd door Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Charles heeft de resultaten van zijn onderzoek echter niet gepubliceerd.

Later slaagde John Dalton er in 1801 in om experimenteel vast te stellen dat alle gassen en dampen, die hij bestudeerde, uitzetten tussen twee bepaalde temperaturen in dezelfde hoeveelheid. Deze resultaten werden in 1802 door Gay-Lussac bevestigd.

De onderzoekswerken van Charles, Dalton en Gay-Lussac hebben aangetoond dat het volume dat door een gas wordt ingenomen en de absolute temperatuur ervan recht evenredig zijn. Daarom is er een lineair verband tussen de temperatuur en het volume van een gas.

Grafiek

Grafiek van T vs V voor een ideaal gas. Bron: Gabriel Bolívar.

Door het volume van een gas tegen de temperatuur in een grafiek (bovenste afbeelding) te zetten, ontstaat een rechte lijn. Het snijpunt van de lijn met de X-as, bij een temperatuur van 0 ° C, maakt het mogelijk om het volume van het gas bij 0 ° C te verkrijgen.

Evenzo zou het snijpunt van de lijn met de X-as informatie geven over de temperatuur waarvoor het door het gas ingenomen volume nul "0" zou zijn. Dalton schatte deze waarde op -266 ° C, dicht bij de door Kelvin voorgestelde waarde voor het absolute nulpunt (0).

Kelvin stelde een temperatuurschaal voor waarvan het nulpunt de temperatuur zou moeten zijn waarbij een perfect gas een volume van nul zou hebben. Maar bij deze lage temperaturen worden de gassen vloeibaar gemaakt.

Daarom is het niet mogelijk om als zodanig van gassenvolumes te spreken, waarbij men constateert dat de waarde voor het absolute nulpunt -273,15 ºC moet zijn.

Formules en meeteenheden

Formules

De wet van Charles in zijn moderne versie stelt dat het volume en de temperatuur van een gas recht evenredig zijn.

Zo:

V / T = k

V = volume gas. T = Kelvin-temperatuur (K). k = constante van evenredigheid.

Voor een volume V ₁ en een temperatuur T ₁

k = V ₁ / T ₁

Evenzo voor een volume V ₂ en een temperatuur T ₂

k = V ₂ / T ₂

Vervolgens stellen we de twee vergelijkingen voor k gelijk

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Deze formule kan als volgt worden geschreven:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Oplossend voor V ₂ , wordt de formule verkregen:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Eenheden

Het volume van het gas kan worden uitgedrukt in liters of in een van de daarvan afgeleide eenheden. Evenzo kan het volume worden uitgedrukt in kubieke meter of in een afgeleide eenheid. De temperatuur moet worden uitgedrukt in absolute temperatuur of Kelvin-temperatuur.

Dus als de temperaturen van een gas worden uitgedrukt in graden Celsius of de schaal van Celsius, om er een berekening mee uit te voeren, zou het bedrag van 273,15 ºC bij de temperaturen moeten worden opgeteld om ze op absolute temperaturen of kelvin te brengen.

Als de temperaturen worden uitgedrukt in graden Fahrenheit, zou het nodig zijn om 459,67 ºR aan die temperaturen toe te voegen om ze op absolute temperaturen op de Rankine-schaal te brengen.

Een andere bekende formule van de wet van Charles, die rechtstreeks verband houdt met de bewering ervan, is de volgende:

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

Waarbij V _t het volume is dat door een gas bij een bepaalde temperatuur wordt ingenomen, uitgedrukt in liters, cm ³ , enz .; en V _o is het volume dat wordt ingenomen door een gas bij 0 ºC. Van zijn kant is t de temperatuur waarbij het volume wordt gemeten, uitgedrukt in graden Celsius (ºC).

En tot slot vertegenwoordigt 273 de waarde van het absolute nulpunt op de Kelvin-temperatuurschaal.

Experimenteer om de wet te bewijzen

Montage

Het experiment opzetten om de wet van Charles te demonstreren. Bron: Gabriel Bolívar.

In een bak met water, die de functie van een waterbad vervulde, werd bovenaan een open cilinder geplaatst met een zuiger die op de binnenwand van de cilinder paste (afbeelding boven).

Deze zuiger (bestaande uit de zuiger en de twee zwarte bases) kan naar de boven- of onderkant van de cilinder bewegen, afhankelijk van het gasvolume dat erin zit.

Het waterbad kon worden verwarmd door een brander of verwarmingsinstallatie te gebruiken, die de warmte leverde die nodig was om de temperatuur van het bad te verhogen en dus de temperatuur van de cilinder uitgerust met een zuiger.

Een bepaalde massa werd op de plunjer geplaatst om er zeker van te zijn dat het experiment bij constante druk werd uitgevoerd. De temperatuur van het bad en de cilinder werd gemeten met behulp van een thermometer die in het waterbad was geplaatst.

Hoewel de cilinder waarschijnlijk geen schaalverdeling had om het luchtvolume weer te geven, kon dit worden geschat door de hoogte te meten die werd bereikt door de massa op de zuiger en het oppervlak van de basis van de cilinder.

Ontwikkeling

Het volume van een cilinder wordt verkregen door het oppervlak van de basis te vermenigvuldigen met de hoogte. Het oppervlak van de cilinderbasis kan worden verkregen door de formule toe te passen: S = Pi xr ² .

Terwijl de hoogte wordt verkregen door de afstand te meten van de basis van de cilinder tot het deel van de zuiger waarop de massa rust.

Terwijl de temperatuur van het bad werd verhoogd door de warmte die door de aansteker werd geproduceerd, werd waargenomen dat de plunjer in de cilinder steeg. Vervolgens lazen ze op de thermometer de temperatuur in het waterbad af, die overeenkwam met de temperatuur in de cilinder.

Ze maten ook de hoogte van de massa boven de plunjer, waardoor ze het luchtvolume konden schatten dat overeenkwam met de gemeten temperatuur. Op deze manier deden ze verschillende metingen van de temperatuur en schattingen van het luchtvolume dat overeenkomt met elk van de temperaturen.

Hiermee kon eindelijk worden vastgesteld dat het volume dat een gas inneemt recht evenredig is met zijn temperatuur. Deze conclusie maakte het mogelijk om de zogenaamde Charles-wet uit te spreken.

Ballon met ijs in de winter

Naast het vorige experiment is er een eenvoudiger en meer kwalitatief experiment: die van de ballon met ijs in de winter.

Als een met helium gevulde ballon in de winter in een verwarmde kamer zou worden geplaatst, zou de ballon een bepaald volume hebben; Maar als het later met een lage temperatuur buiten het huis zou worden verplaatst, zou worden opgemerkt dat de heliumballon krimpt, waardoor het volume afneemt volgens de wet van Charles.

Opgeloste oefeningen

Oefening 1

Er is een gas dat bij 25 ºC een volume inneemt van 750 cm ³ : wat is het volume dat dit gas bij 37 ºC inneemt als de druk constant wordt gehouden?

Het is noodzakelijk om eerst de temperatuureenheden naar Kelvin te transformeren:

T ₁ in graden Kelvin = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

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

Aangezien V ₁ en de andere variabelen bekend zijn, wordt V ₂ opgelost en berekend met de volgende vergelijking:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Oefening 2

Wat zou de temperatuur in graden Celsius zijn tot welke 3 liter van een gas verwarmd zou moeten worden tot 32ºC, zodat het volume uitzet tot 3,2 liter?

Nogmaals, de graden Celsius wordt omgezet in kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

En net als in de vorige oefening, lossen we T _{2 op in} plaats van V ₂ , en het wordt hieronder berekend:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K.

Maar de verklaring vraagt ​​om graden Celsius, dus de eenheid van T ₂ wordt gewijzigd :

T ₂ in graden Celsius = 325, 49 º C (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ºC

Oefening 3

Als een gas van 0 ° C een volume van 50 cm ³ inneemt , welk volume neemt het dan in bij 45 ° C?

Gebruikmakend van de originele formule van de wet van Charles:

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

We gaan verder met het rechtstreeks berekenen van V _t wanneer alle variabelen beschikbaar zijn:

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

= 58,24 cm ³

Aan de andere kant, als het probleem wordt opgelost met behulp van de strategie van voorbeelden 1 en 2, hebben we:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Het resultaat bij toepassing van de twee procedures is hetzelfde omdat ze uiteindelijk gebaseerd zijn op hetzelfde principe van de wet van Charles.

Toepassingen

Wens ballonnen

De wensballonnen (al genoemd in de inleiding) zijn voorzien van een textielmateriaal geïmpregneerd met een brandbare vloeistof.

Wanneer dit materiaal in brand wordt gestoken, neemt de temperatuur van de lucht in de ballon toe, waardoor het volume van het gas volgens de wet van Charles toeneemt.

Daarom, naarmate het volume van de lucht in de ballon toeneemt, neemt de dichtheid van de lucht in de ballon af, wat minder wordt dan de dichtheid van de omringende lucht, en daarom stijgt de ballon.

Pop-up- of kalkoen-thermometers

Zoals hun naam aangeeft, worden ze gebruikt bij het koken van kalkoenen. De thermometer heeft een met lucht gevulde houder afgesloten met een deksel en is zo gekalibreerd dat bij het bereiken van de optimale kooktemperatuur het deksel met een geluid wordt opgetild.

De thermometer wordt in de kalkoen geplaatst en naarmate de temperatuur in de oven toeneemt, zet de lucht in de thermometer uit, waardoor het volume toeneemt. Wanneer het volume van de lucht een bepaalde waarde bereikt, laat hij het deksel van de thermometer optillen.

De vorm van pingpongballen herstellen

Pingpongballen zijn, afhankelijk van de vereisten van hun gebruik, licht in gewicht en hun plastic wanden zijn dun. Dit zorgt ervoor dat wanneer ze worden geraakt door de rackets, ze vervormingen krijgen.

Door de vervormde ballen in heet water te plaatsen, warmt de lucht binnenin op en zet deze uit, waardoor het luchtvolume toeneemt. Dit zorgt er ook voor dat de wand van de pingpongballen uitrekt, waardoor ze terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm.

Brood maken

Gisten worden verwerkt in tarwebloem dat wordt gebruikt om brood te maken en het vermogen hebben om koolstofdioxidegas te produceren.

Naarmate de temperatuur van de broden toeneemt tijdens het bakken, neemt het volume kooldioxide toe. Dit is de reden waarom het brood uitzet totdat het het gewenste volume heeft bereikt.

Referenties

1. Clark J. (2013). Andere gaswetten - de wet van Boyle en de wet van Charles. Hersteld van: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Charles 'wet. Hersteld van: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Charles Law. Hersteld van: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27 december 2018). Wat is de formule voor de wet van Charles? Hersteld van: thoughtco.com
5. Prof. N. De Leon. (sf). Elementaire gaswetten: Charles Law. C 101 Class Notes. Hersteld van: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Charles Law. Hersteld van: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fysicochemie voor biologen. (2 ^da editie). Redactioneel Reverté, SA