UNDANG-UNDANG CHARLES: FORMULA DAN UNIT, EKSPERIMEN, LATIHAN - KIMIA - 2026

The undang-undang Charles atau Guy-Lussac adalah salah satu yang membolehkan penyata salah satu daripada sifat-sifat keadaan gas: isipadu yang dipenuhi oleh gas adalah berkadar terus dengan suhu pada tekanan malar.

Perkadaran ini adalah linear untuk semua julat suhu jika gas yang dimaksudkan adalah ideal; gas sebenar, sebaliknya, menyimpang dari arah aliran pada suhu berhampiran titik embunnya. Namun, ini tidak membatasi penggunaan undang-undang ini untuk pelbagai aplikasi yang melibatkan gas.

Tanglung Cina atau menginginkan belon. Sumber: Pxhere.

Salah satu aplikasi klasik undang-undang Charles adalah dalam belon udara. Belon lain yang lebih sederhana, seperti belon keinginan, juga disebut tanglung Cina (gambar atas), menunjukkan hubungan antara isipadu dan suhu gas pada tekanan berterusan.

Mengapa pada tekanan berterusan? Kerana jika tekanan meningkat, ini bermaksud bahawa wadah di mana gas berada ditutup secara hermetik; dan dengan ini, perlanggaran atau kesan zarah-zarah gas terhadap dinding dalaman bekas tersebut akan meningkat (undang-undang Boyle-Mariotte).

Oleh itu, tidak akan ada perubahan dalam volume yang ditampung oleh gas, dan hukum Charles akan kurang. Tidak seperti bekas kedap udara, kain belon keinginan mewakili penghalang bergerak, mampu mengembang atau menguncup bergantung pada tekanan yang diberikan oleh gas di dalamnya.

Namun, ketika tisu belon mengembang, tekanan dalaman gas tetap berterusan kerana kawasan di mana zarahnya bertabrakan meningkat. Semakin tinggi suhu gas, semakin tinggi tenaga kinetik zarah, dan oleh itu jumlah perlanggaran.

Dan ketika belon mengembang lagi, perlanggaran terhadap dinding dalamannya tetap (idealnya) tetap.

Jadi semakin panas gas, semakin besar pengembangan belon dan semakin tinggi ia akan naik. Hasilnya: lampu kemerahan (walaupun berbahaya) digantung di langit pada malam Disember.

Apakah undang-undang Charles?

Penyataan

Apa yang disebut Hukum Charles atau Hukum Gay-Lussac menjelaskan pergantungan yang ada antara isipadu yang dihuni oleh gas dan nilai suhu mutlaknya atau suhu Kelvin.

Undang-undang dapat dinyatakan dengan cara berikut: jika tekanan tetap, ia berpuas hati bahawa "untuk jisim gas tertentu, ia meningkatkan isipadu sekitar 1/273 kali isinya pada 0 ºC, untuk setiap darjah selsius ( 1 ºC) untuk meningkatkan suhunya ”.

Pekerjaan

Karya penyelidikan yang menetapkan undang-undang itu dimulai pada tahun 1780-an oleh Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Namun, Charles tidak menerbitkan hasil siasatannya.

Kemudian, John Dalton pada tahun 1801 berjaya menentukan secara eksperimen bahawa semua gas dan wap, yang dikaji olehnya, berkembang antara dua suhu yang ditentukan dalam kuantiti isipadu yang sama. Hasil ini disahkan oleh Gay-Lussac pada tahun 1802.

Karya penyelidikan Charles, Dalton dan Gay-Lussac, memungkinkan untuk membuktikan bahawa isipadu yang diisi oleh gas dan suhu mutlaknya berkadar terus. Oleh itu, terdapat hubungan linear antara suhu dan isipadu gas.

Grafik

Grafik T vs V untuk gas yang ideal. Sumber: Gabriel Bolívar.

Membuat grafik (gambar atas) isipadu gas terhadap suhu menghasilkan garis lurus. Persimpangan garis dengan paksi X, pada suhu 0ºC, membolehkan mendapatkan isipadu gas pada 0ºC.

Begitu juga, persimpangan garis dengan paksi X akan memberikan maklumat mengenai suhu di mana isipadu yang ditumpukan oleh gas akan menjadi sifar "0". Dalton menganggarkan nilai ini pada -266 ° C, hampir dengan nilai yang dicadangkan Kelvin untuk sifar mutlak (0).

Kelvin mencadangkan skala suhu yang sifarnya seharusnya suhu di mana gas yang sempurna akan mempunyai jumlah sifar. Tetapi pada suhu rendah ini gas dicairkan.

Itulah sebabnya tidak mustahil untuk membincangkan jumlah gas yang sama, mendapati bahawa nilai untuk sifar mutlak mestilah -273.15 ºC.

Rumus dan unit pengukuran

Rumusan

Undang-undang Charles dalam versi modennya menyatakan bahawa jumlah dan suhu gas berkadar terus.

Jadi:

V / T = k

V = isi padu gas. T = suhu Kelvin (K). k = pemalar berkadar.

Untuk isipadu V ₁ dan suhu T ₁

k = V ₁ / T ₁

Begitu juga, untuk kelantangan V ₂ dan suhu T ₂

k = V ₂ / T ₂

Kemudian, menyamakan dua persamaan untuk k yang kita ada

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Rumus ini boleh ditulis seperti berikut:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Selesaikan untuk V ₂ , formula diperoleh:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Unit

Isi padu gas dapat dinyatakan dalam liter atau dalam unit yang berasal. Begitu juga, isipadu dapat dinyatakan dalam meter padu atau dalam unit turunan. Suhu mesti dinyatakan dalam suhu mutlak atau suhu Kelvin.

Jadi, jika suhu gas dinyatakan dalam darjah celcius atau skala Celsius, untuk melakukan pengiraan dengan mereka, jumlah 273.15 ºC harus ditambahkan pada suhu, untuk membawa mereka ke suhu mutlak atau kelvin.

Sekiranya suhu dinyatakan dalam darjah Fahrenheit, perlu menambahkan 459.67 ºR pada suhu tersebut, untuk menjadikannya suhu mutlak pada skala Rankine.

Formula lain yang terkenal dari Hukum Charles, dan berkaitan langsung dengan pernyataannya, adalah berikut:

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

Di mana V _t adalah isipadu yang dihuni oleh gas pada suhu tertentu, dinyatakan dalam liter, cm ³ , dan lain-lain; dan V _o ialah isipadu yang dihuni oleh gas pada suhu 0 0C. Sebahagiannya, t adalah suhu di mana isipadu diukur, dinyatakan dalam darjah selsius (ºC).

Dan akhirnya, 273 mewakili nilai sifar mutlak pada skala suhu Kelvin.

Eksperimen untuk membuktikan undang-undang

Pemasangan

Menyiapkan percubaan untuk menunjukkan undang-undang Charles. Sumber: Gabriel Bolívar.

Di dalam wadah air, yang memenuhi fungsi mandi air, silinder terbuka diletakkan di atasnya, dengan pelocok yang dipasang ke dinding dalam silinder (gambar atas).

Piston ini (terdiri daripada piston dan dua pangkalan hitam) dapat bergerak ke arah atas atau bawah silinder bergantung pada isipadu gas yang dikandungnya.

Mandi air dapat dipanaskan dengan menggunakan pembakar atau pemanas, yang menyediakan haba yang diperlukan untuk meningkatkan suhu mandi dan oleh itu suhu silinder dilengkapi dengan pelocok.

Jisim yang ditentukan diletakkan pada pelocok untuk memastikan bahawa eksperimen dijalankan pada tekanan yang berterusan. Suhu mandi dan silinder diukur dengan menggunakan termometer yang diletakkan di dalam mandian air.

Walaupun silinder mungkin tidak mempunyai kelulusan untuk menunjukkan isipadu udara, ini dapat dianggarkan dengan mengukur ketinggian yang dicapai oleh jisim yang diletakkan pada omboh dan permukaan dasar silinder.

Pembangunan

Isipadu silinder diperoleh dengan mengalikan luas permukaan pangkalnya dengan ketinggiannya. Permukaan dasar silinder dapat diperoleh dengan menerapkan rumus: S = Pi xr ² .

Sementara ketinggian diperoleh dengan mengukur jarak dari dasar silinder, ke bahagian omboh di mana jisimnya bersandar.

Oleh kerana suhu mandi meningkat oleh haba yang dihasilkan oleh pemantik api, pelocok diperhatikan naik di dalam silinder. Kemudian, mereka membaca pada termometer suhu di mandian air, yang sesuai dengan suhu di dalam silinder.

Mereka juga mengukur ketinggian jisim di atas pelocok, dapat memperkirakan jumlah udara yang sesuai dengan suhu yang diukur. Dengan cara ini mereka membuat beberapa pengukuran suhu dan anggaran jumlah udara yang sesuai dengan setiap suhu.

Dengan ini, akhirnya dapat membuktikan bahawa isipadu gas yang diduduki sebanding dengan suhunya. Kesimpulan ini memungkinkan untuk menyebut apa yang disebut sebagai Hukum Charles.

Belon dengan ais pada musim sejuk

Sebagai tambahan kepada eksperimen sebelumnya, ada yang lebih sederhana dan kualitatif: seperti belon ais pada musim sejuk.

Sekiranya belon berisi helium ditempatkan di ruangan yang dipanaskan pada musim sejuk, maka belon akan mempunyai isipadu tertentu; Tetapi, jika kemudian dipindahkan ke luar rumah dengan suhu rendah, akan diperhatikan bahawa belon helium menyusut, mengurangi isinya menurut Hukum Charles.

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Terdapat gas yang menempati isipadu 750 cm ³ pada 25 ºC: berapakah isi padu gas ini pada 37 ºC jika tekanan tetap berterusan?

Perlu terlebih dahulu mengubah unit suhu menjadi kelvin:

T ₁ dalam darjah Kelvin = 25 ºC + 273.15 ºC = 298.15 K

T ₂ dalam darjah Kelvin = 37 ºC + 273.15 ºC = 310.15 K

Oleh kerana V ₁ dan pemboleh ubah lain diketahui, V ₂ diselesaikan dan dikira dengan persamaan berikut:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310.15 K / 298.15 K)

= 780.86 cm ³

Latihan 2

Berapakah suhu dalam darjah selsius yang mana 3 liter gas harus dipanaskan hingga 32ºC, sehingga isinya mengembang hingga 3.2 liter?

Sekali lagi, darjah selsius berubah menjadi kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273.15 ºC = 305.15 K

Dan seperti latihan sebelumnya, kami menyelesaikan T ₂ dan bukan V ₂ , dan ini dikira di bawah:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325.49 K

Tetapi pernyataan itu meminta darjah selsius, jadi unit T ₂ diubah :

T ₂ dalam darjah selsius = 325, 49 º C (K) - 273.15 ºC (K)

= 52.34 ºC

Latihan 3

Sekiranya gas pada 0ºC menempati isipadu 50 cm ³ , berapakah isipadu yang akan menghirupnya pada 45ºC?

Menggunakan formula asal undang-undang Charles:

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

Kami terus mengira V _t secara langsung apabila semua pemboleh ubah tersedia:

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

= 58.24 cm ³

Sebaliknya, jika masalah diselesaikan dengan menggunakan strategi contoh 1 dan 2, kita akan mempunyai:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58.24 cm ³

Hasilnya, menerapkan kedua prosedur tersebut, adalah sama kerana pada akhirnya mereka berdasarkan prinsip yang sama dengan hukum Charles.

Permohonan

Ingin belon

Belon harapan (sudah disebutkan dalam pendahuluan) disediakan dengan bahan tekstil yang diresapi dengan cecair yang mudah terbakar.

Ketika bahan ini dibakar, terjadi peningkatan suhu udara yang terkandung di dalam balon, yang menyebabkan peningkatan volume gas sesuai dengan hukum Charles.

Oleh itu, apabila isipadu udara di dalam balon meningkat, ketumpatan udara di dalam balon menurun, yang menjadi kurang dari ketumpatan udara di sekitarnya, dan itulah sebabnya balon naik.

Termometer pop-up atau kalkun

Seperti namanya, mereka digunakan semasa memasak ayam belanda. Termometer mempunyai bekas berisi udara ditutup dengan penutup dan dikalibrasi sedemikian rupa sehingga setelah mencapai suhu memasak yang optimum, penutup diangkat dengan suara.

Termometer diletakkan di dalam kalkun, dan ketika suhu di dalam oven meningkat, udara di dalam termometer mengembang, meningkatkan isipadu. Kemudian apabila isipadu udara mencapai nilai tertentu, dia membuat penutup termometer mengangkat.

Mengembalikan bentuk bola ping-pong

Bola ping-pong, bergantung pada keperluan penggunaannya, beratnya ringan dan dinding plastiknya tipis. Ini menyebabkan bahawa apabila mereka terkena raket, mereka mengalami ubah bentuk.

Dengan meletakkan bebola cacat di dalam air panas, udara di dalamnya memanas dan mengembang, menyebabkan peningkatan jumlah udara. Ini juga menyebabkan dinding bola ping-pong meregang, memungkinkan mereka kembali ke bentuk semula.

Pembuatan roti

Ragi dimasukkan ke dalam tepung gandum yang digunakan untuk membuat roti dan mempunyai kemampuan menghasilkan gas karbon dioksida.

Apabila suhu roti meningkat semasa memanggang, jumlah karbon dioksida meningkat. Oleh kerana itulah roti mengembang sehingga mencapai jumlah yang diinginkan.

Rujukan

1. Clark J. (2013). Undang-undang gas lain - Undang-undang Boyle dan Undang-undang Charles. Dipulihkan dari: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Undang-undang Charles. Dipulihkan dari: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Undang-undang Charles. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27 Disember 2018). Apakah Formula untuk Undang-undang Charles? Dipulihkan dari: thinkco.com
5. Prof N. De Leon. (sf). Undang-undang Gas Elemen: Charles Law. Nota Kelas C 101. Dipulihkan dari: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Undang-undang Charles. Dipulihkan dari: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fisikokimia untuk ahli biologi. ( Edisi 2 ^da ). Reverté editorial, SA