กฎของชาร์ลส์: สูตรและหน่วยการทดลองแบบฝึกหัด - เคมี - 2026

กฎหมายของชาร์ลส์หรือ Guy-Lussac เป็นสิ่งหนึ่งที่ช่วยให้คำสั่งของหนึ่งในคุณสมบัติของสถานะเป็นก๊าซที่: ปริมาณที่ถูกครอบครอง โดย ก๊าซเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิที่ความดันอย่างต่อเนื่อง

สัดส่วนนี้เป็นเชิงเส้นสำหรับทุกช่วงอุณหภูมิหากก๊าซที่เป็นปัญหานั้นเหมาะสมที่สุด ในทางกลับกันก๊าซจริงเบี่ยงเบนไปจากแนวโน้มเชิงเส้นที่อุณหภูมิใกล้จุดน้ำค้าง อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ได้ จำกัด การใช้กฎหมายนี้สำหรับการใช้งานจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ

โคมไฟจีนหรือลูกโป่งปรารถนา ที่มา: pxhere.

หนึ่งในแอปพลิเคชันที่เป็นแก่นสารของกฎหมายของชาร์ลส์คือในบอลลูนอากาศ ลูกโป่งที่เรียบง่ายอื่น ๆ เช่นลูกโป่งปรารถนาหรือที่เรียกว่าโคมไฟจีน (ภาพบนสุด) เผยให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและอุณหภูมิของก๊าซที่ความดันคงที่

ทำไมแรงดันคงที่? เพราะถ้าความดันเพิ่มขึ้นนั่นหมายความว่าภาชนะที่บรรจุก๊าซนั้นปิดผนึกอย่างแน่นหนา และด้วยเหตุนี้การชนหรือผลกระทบของอนุภาคก๊าซกับผนังภายในของภาชนะดังกล่าวจะเพิ่มขึ้น (กฎหมาย Boyle-Mariotte)

ดังนั้นจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงในปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซและกฎของชาร์ลส์จะขาด ซึ่งแตกต่างจากภาชนะบรรจุที่มีอากาศถ่ายเทได้ผ้าของลูกโป่งแห่งความปรารถนาแสดงถึงสิ่งกีดขวางเคลื่อนที่ซึ่งสามารถขยายหรือหดตัวได้ขึ้นอยู่กับความดันที่กระทำโดยก๊าซภายใน

อย่างไรก็ตามเมื่อเนื้อเยื่อลูกโป่งขยายตัวความดันภายในของก๊าซจะคงที่เนื่องจากบริเวณที่อนุภาคชนกันจะเพิ่มขึ้น ยิ่งอุณหภูมิของก๊าซสูงเท่าใดพลังงานจลน์ของอนุภาคก็จะสูงขึ้นและจำนวนการชนกัน

และเมื่อบอลลูนขยายตัวอีกครั้งการชนกับผนังภายในยังคงคงที่ (ในทางที่ดี)

ดังนั้นก๊าซยิ่งร้อนการขยายตัวของบอลลูนก็จะยิ่งสูงขึ้น ผลลัพธ์: ไฟสีแดง (แม้ว่าจะอันตราย) ถูกระงับบนท้องฟ้าในคืนเดือนธันวาคม

กฎของชาร์ลส์คืออะไร?

คำให้การ

สิ่งที่เรียกว่ากฎของชาร์ลส์หรือกฎของเกย์ - ลัสซัคอธิบายถึงการพึ่งพาอาศัยกันระหว่างปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซและค่าของอุณหภูมิสัมบูรณ์หรืออุณหภูมิเคลวิน

กฎหมายสามารถระบุได้ในลักษณะต่อไปนี้: ถ้าความดันยังคงที่จะพอใจว่า“ สำหรับมวลที่กำหนดของก๊าซจะเพิ่มปริมาตรประมาณ 1/273 เท่าของปริมาตรที่ 0 ºCสำหรับแต่ละองศาเซนติเกรด ( 1 ºC) เพื่อเพิ่มอุณหภูมิ”.

งาน

งานวิจัยที่กำหนดกฎหมายเริ่มต้นขึ้นในปี 1780 โดย Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823) อย่างไรก็ตามชาร์ลส์ไม่ได้เผยแพร่ผลการสืบสวนของเขา

ต่อมาจอห์นดาลตันในปี 1801 สามารถตรวจสอบการทดลองได้ว่าก๊าซและไอระเหยทั้งหมดที่เขาศึกษาขยายตัวระหว่างอุณหภูมิที่กำหนดสองอุณหภูมิในปริมาณปริมาตรเดียวกัน ผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับการยืนยันโดย Gay-Lussac ในปี 1802

งานวิจัยของ Charles, Dalton และ Gay-Lussac ได้รับอนุญาตให้ระบุว่าปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซและอุณหภูมิสัมบูรณ์เป็นสัดส่วนโดยตรง ดังนั้นจึงมีความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างอุณหภูมิและปริมาตรของก๊าซ

กราฟ

กราฟของ T vs V สำหรับก๊าซในอุดมคติ ที่มา: Gabriel Bolívar

การสร้างกราฟ (ภาพบนสุด) ปริมาตรของก๊าซเทียบกับอุณหภูมิทำให้เกิดเส้นตรง จุดตัดของเส้นตรงกับแกน X ที่อุณหภูมิ0ºCทำให้ได้ปริมาตรของก๊าซที่0ºC

ในทำนองเดียวกันจุดตัดของเส้นตรงกับแกน X จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับอุณหภูมิที่ปริมาตรของก๊าซครอบครองจะเป็นศูนย์ "0" ดาลตันประมาณค่านี้ที่ -266 ° C ใกล้เคียงกับค่าที่แนะนำของเคลวินสำหรับศูนย์สัมบูรณ์ (0)

เคลวินเสนอมาตราส่วนอุณหภูมิที่ศูนย์ควรเป็นอุณหภูมิที่ก๊าซสมบูรณ์จะมีปริมาตรเป็นศูนย์ แต่ที่อุณหภูมิต่ำเหล่านี้ก๊าซจะเหลว

นั่นคือเหตุผลที่ไม่สามารถพูดถึงปริมาตรของก๊าซเช่นนี้ได้โดยพบว่าค่าของศูนย์สัมบูรณ์ควรเป็น -273.15 ºC

สูตรและหน่วยการวัด

สูตร

กฎของชาร์ลส์ในเวอร์ชันใหม่ระบุว่าปริมาตรและอุณหภูมิของก๊าซเป็นสัดส่วนโดยตรง

ดังนั้น:

V / T = k

V = ปริมาตรของก๊าซ T = อุณหภูมิเคลวิน (K) k = ค่าคงที่ของสัดส่วน

สำหรับปริมาตร V ₁และอุณหภูมิ T ₁

k = V ₁ / T ₁

ในทำนองเดียวกันสำหรับปริมาตร V ₂และอุณหภูมิ T ₂

k = V ₂ / T ₂

จากนั้นการหาสมการสองสมการสำหรับ k ที่เรามี

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

สูตรนี้สามารถเขียนได้ดังนี้:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

การแก้ปัญหาสำหรับ V ₂จะได้รับสูตร:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

หน่วย

ปริมาตรของก๊าซสามารถแสดงเป็นลิตรหรือหน่วยที่ได้รับ ในทำนองเดียวกันปริมาตรสามารถแสดงเป็นลูกบาศก์เมตรหรือในหน่วยที่ได้รับ อุณหภูมิจะต้องแสดงเป็นอุณหภูมิสัมบูรณ์หรืออุณหภูมิเคลวิน

ดังนั้นหากอุณหภูมิของก๊าซแสดงเป็นองศาเซนติเกรดหรือมาตราส่วนเซลเซียสในการคำนวณด้วยจะต้องเพิ่มปริมาณ 273.15 ºCลงในอุณหภูมิเพื่อที่จะนำก๊าซเหล่านี้ไปสู่อุณหภูมิที่แน่นอนหรือเคลวิน

หากอุณหภูมิแสดงเป็นองศาฟาเรนไฮต์จำเป็นต้องเพิ่ม 459.67 ºRลงในอุณหภูมิเหล่านั้นเพื่อทำให้อุณหภูมิเหล่านั้นมีอุณหภูมิสัมบูรณ์ในระดับ Rankine

อีกสูตรหนึ่งที่รู้จักกันดีของกฎของชาร์ลส์และเกี่ยวข้องโดยตรงกับคำแถลงดังต่อไปนี้:

V _t = V _หรือ (1 + t / 273)

โดยที่ V _tคือปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซที่อุณหภูมิหนึ่งแสดงเป็นลิตรซม. ³ฯลฯ และ V _oคือปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซที่ 0 ºC ในส่วนของมัน t คืออุณหภูมิที่วัดปริมาตรแสดงเป็นองศาเซนติเกรด (ºC)

และสุดท้าย 273 แทนค่าของศูนย์สัมบูรณ์ในระดับอุณหภูมิเคลวิน

ทดลองพิสูจน์กฎหมาย

การติด

การตั้งค่าการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นถึงกฎของชาร์ลส์ ที่มา: Gabriel Bolívar

ในภาชนะบรรจุน้ำซึ่งทำหน้าที่ของอ่างน้ำได้อย่างสมบูรณ์ถังน้ำที่เปิดอยู่จะถูกวางไว้ที่ด้านบนพร้อมกับลูกสูบที่พอดีกับผนังด้านในของกระบอกสูบ (ภาพบน)

ลูกสูบนี้ (ประกอบด้วยลูกสูบและฐานสีดำทั้งสอง) สามารถเคลื่อนที่ไปทางด้านบนหรือด้านล่างของกระบอกสูบได้ขึ้นอยู่กับปริมาตรของก๊าซที่บรรจุอยู่

อ่างน้ำสามารถอุ่นได้โดยใช้เตาหรือเครื่องทำความร้อนซึ่งให้ความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของอ่างและอุณหภูมิของกระบอกสูบที่ติดตั้งลูกสูบ

มวลที่กำหนดถูกวางไว้บนลูกสูบเพื่อให้แน่ใจว่าการทดลองดำเนินไปด้วยความดันคงที่ อุณหภูมิของอ่างอาบน้ำและกระบอกสูบถูกวัดโดยใช้เทอร์โมมิเตอร์ที่วางไว้ในอ่างน้ำ

แม้ว่ากระบอกสูบอาจไม่ได้รับการสำเร็จการศึกษาเพื่อแสดงปริมาตรของอากาศ แต่ก็สามารถประมาณได้โดยการวัดความสูงที่มวลวางอยู่บนลูกสูบและพื้นผิวของฐานกระบอกสูบ

พัฒนาการ

ปริมาตรของทรงกระบอกได้จากการคูณพื้นที่ผิวของฐานด้วยความสูง พื้นผิวของฐานถังอาจจะได้รับโดยใช้สูตร: S = Pi XR 2

ในขณะที่ความสูงได้มาจากการวัดระยะห่างจากฐานของกระบอกสูบไปยังส่วนของลูกสูบที่มวลวางอยู่

เมื่ออุณหภูมิของอ่างเพิ่มขึ้นตามความร้อนที่เกิดจากไฟแช็กจึงสังเกตเห็นว่าลูกสูบสูงขึ้นภายในกระบอกสูบ จากนั้นพวกเขาอ่านบนเทอร์โมมิเตอร์อุณหภูมิในอ่างน้ำซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิภายในกระบอกสูบ

พวกเขายังวัดความสูงของมวลเหนือลูกสูบซึ่งสามารถประมาณปริมาตรของอากาศที่สอดคล้องกับอุณหภูมิที่วัดได้ ด้วยวิธีนี้พวกเขาทำการวัดอุณหภูมิหลาย ๆ ครั้งและประมาณปริมาตรของอากาศที่สอดคล้องกับอุณหภูมิแต่ละอย่าง

ด้วยเหตุนี้ในที่สุดจึงเป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่าปริมาตรที่ก๊าซครอบครองนั้นแปรผันตรงกับอุณหภูมิของมัน ข้อสรุปนี้อนุญาตให้ระบุสิ่งที่เรียกว่า Charles Law

บอลลูนกับน้ำแข็งในฤดูหนาว

นอกเหนือจากการทดลองก่อนหน้านี้ยังมีการทดลองที่เรียบง่ายและมีคุณภาพมากกว่านั่นคือบอลลูนน้ำแข็งในฤดูหนาว

ถ้าลูกโป่งที่เติมฮีเลียมถูกวางไว้ในห้องอุ่นในฤดูหนาวบอลลูนจะมีปริมาตรที่แน่นอน แต่ถ้าต่อมามีการเคลื่อนย้ายออกไปนอกบ้านที่มีอุณหภูมิต่ำจะสังเกตได้ว่าบอลลูนฮีเลียมหดตัวลดปริมาณลงตามกฎของชาร์ลส์

แบบฝึกหัดที่แก้ไข

แบบฝึกหัด 1

มีก๊าซที่มีปริมาตร 750 ซม. ³ที่ 25 ºC: ปริมาตรที่ก๊าซนี้อยู่ที่ 37 ºCจะเป็นเท่าใดหากความดันคงที่?

ก่อนอื่นจำเป็นต้องเปลี่ยนหน่วยอุณหภูมิเป็นเคลวิน:

T ₁ในองศาเคลวิน = 25 ºC + 273.15 ºC = 298.15 K

T ₂ในองศาเคลวิน = 37 ºC + 273.15 ºC = 310.15 K

เนื่องจาก V ₁และตัวแปรอื่น ๆ เป็นที่รู้จัก V ₂จึงถูกแก้ไขและคำนวณด้วยสมการต่อไปนี้:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 ซม. ³ (310.15 K / 298.15 K)

= 780.86 ซม. ³

แบบฝึกหัด 2

อะไรจะเป็นอุณหภูมิองศาเซนติเกรดที่ก๊าซ 3 ลิตรจะต้องได้รับความร้อนถึง32ºCปริมาตรจึงขยายเป็น 3.2 ลิตร?

อีกครั้งองศาเซนติเกรดจะเปลี่ยนเป็นเคลวิน:

T ₁ = 32 ºC + 273.15 ºC = 305.15 K

และเช่นเดียวกับในแบบฝึกหัดก่อนหน้านี้เราแก้ปัญหาสำหรับ T ₂แทน V ₂และคำนวณได้ด้านล่าง:

เสื้อ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325.49 พัน

แต่คำสั่งขอองศาเซนติเกรดดังนั้นหน่วยของ T ₂จึงเปลี่ยนไป:

T ₂ในองศาเซนติเกรด = 325, 49 º C (K) - 273.15 ºC (K)

= 52.34 ºC

แบบฝึกหัด 3

ถ้าก๊าซที่0ºCมีปริมาตร 50 ซม. ³จะมีปริมาตรเท่าใดที่45ºC?

ใช้สูตรดั้งเดิมของกฎของ Charles:

V _t = V _หรือ (1 + t / 273)

เราจะคำนวณ V _tโดยตรงเมื่อมีตัวแปรทั้งหมด:

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

= 58.24 ซม. ³

ในทางกลับกันหากปัญหาได้รับการแก้ไขโดยใช้กลยุทธ์ของตัวอย่างที่ 1 และ 2 เราจะมี:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 ซม. ³ /273 K)

= 58.24 ซม. ³

ผลลัพธ์ที่ได้จากการใช้ทั้งสองขั้นตอนนั้นเหมือนกันเพราะในที่สุดแล้วพวกเขาก็อยู่บนหลักการเดียวกันของกฎของชาร์ลส์

การประยุกต์ใช้งาน

อยากได้ลูกโป่ง

ลูกโป่งคำอวยพร (ที่กล่าวถึงในบทนำ) มาพร้อมกับวัสดุสิ่งทอที่ชุบด้วยของเหลวที่ติดไฟได้

เมื่อวัสดุนี้ถูกจุดไฟจะมีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของอากาศที่บรรจุอยู่ในบอลลูนซึ่งทำให้ปริมาตรของก๊าซเพิ่มขึ้นตามกฎของ Charles

ดังนั้นเมื่อปริมาตรของอากาศในบอลลูนเพิ่มขึ้นความหนาแน่นของอากาศในบอลลูนจะลดลงซึ่งจะน้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศโดยรอบและนั่นคือสาเหตุที่บอลลูนเพิ่มขึ้น

เครื่องวัดอุณหภูมิแบบ Pop-Up หรือแบบตุรกี

ตามชื่อของพวกเขาพวกเขาถูกใช้ในการปรุงอาหารไก่งวง เทอร์โมมิเตอร์มีภาชนะบรรจุอากาศปิดฝาและได้รับการปรับเทียบในลักษณะที่เมื่อถึงอุณหภูมิการปรุงอาหารที่เหมาะสมฝาจะยกขึ้นพร้อมกับเสียง

เทอร์โมมิเตอร์วางอยู่ในไก่งวงและเมื่ออุณหภูมิภายในเตาเพิ่มขึ้นอากาศภายในเทอร์โมมิเตอร์จะขยายตัวเพิ่มปริมาตร จากนั้นเมื่อปริมาตรของอากาศถึงค่าหนึ่งเขาทำให้ฝาเทอร์โมมิเตอร์ยกขึ้น

การฟื้นฟูรูปร่างของลูกปิงปอง

ลูกปิงปองขึ้นอยู่กับความต้องการในการใช้งานมีน้ำหนักเบาและผนังพลาสติกบาง ทำให้เมื่อพวกเขาถูกไม้พวกเขาจะได้รับความผิดปกติ

โดยการวางลูกบอลที่ผิดรูปในน้ำร้อนอากาศภายในจะร้อนขึ้นและขยายตัวทำให้ปริมาณอากาศเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้ผนังของลูกปิงปองยืดออกทำให้กลับคืนสู่รูปทรงเดิมได้

การทำขนมปัง

ยีสต์รวมอยู่ในแป้งสาลีที่ใช้ทำขนมปังและมีความสามารถในการผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

เมื่ออุณหภูมิของขนมปังเพิ่มขึ้นในระหว่างการอบปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะเพิ่มขึ้น เป็นเพราะเหตุนี้ขนมปังจึงขยายตัวจนได้ปริมาณที่ต้องการ

อ้างอิง

1. คลาร์กเจ. (2013). กฎหมายก๊าซอื่น ๆ - กฎหมายของบอยล์และกฎหมายของชาร์ลส์ สืบค้นจาก: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew (2018) กฎหมายของชาร์ลส์ สืบค้นจาก: scienceprimer.com
3. วิกิพีเดีย (2019) กฎหมายชาร์ลส์ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, ทอดด์ (27 ธันวาคม 2561). สูตรสำหรับกฎของชาร์ลส์คืออะไร? ดึงมาจาก: thoughtco.com
5. ศ. เอ็นเดอเลออน (เอสเอฟ) กฎหมายแก๊สเบื้องต้น: Charles Law C 101 หมายเหตุสำหรับคลาส กู้คืนจาก: iun.edu
6. Briceño Gabriela (2018) กฎหมายชาร์ลส์ สืบค้นจาก: euston96.com
7. มอร์ริส JG (1974) ฟิสิกส์เคมีสำหรับนักชีววิทยา ( ฉบับที่2 ^ดา ). Editorial Reverté, SA