- กฎของชาร์ลส์คืออะไร?
- คำให้การ
- งาน
- กราฟ
- สูตรและหน่วยการวัด
- สูตร
- หน่วย
- ทดลองพิสูจน์กฎหมาย
- การติด
- พัฒนาการ
- บอลลูนกับน้ำแข็งในฤดูหนาว
- แบบฝึกหัดที่แก้ไข
- แบบฝึกหัด 1
- แบบฝึกหัด 2
- แบบฝึกหัด 3
- การประยุกต์ใช้งาน
- อยากได้ลูกโป่ง
- เครื่องวัดอุณหภูมิแบบ Pop-Up หรือแบบตุรกี
- การฟื้นฟูรูปร่างของลูกปิงปอง
- การทำขนมปัง
- อ้างอิง
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
- คลาร์กเจ. (2013). กฎหมายก๊าซอื่น ๆ - กฎหมายของบอยล์และกฎหมายของชาร์ลส์ สืบค้นจาก: chemguide.co.uk
- Staroscik Andrew (2018) กฎหมายของชาร์ลส์ สืบค้นจาก: scienceprimer.com
- วิกิพีเดีย (2019) กฎหมายชาร์ลส์ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
- Helmenstine, ทอดด์ (27 ธันวาคม 2561). สูตรสำหรับกฎของชาร์ลส์คืออะไร? ดึงมาจาก: thoughtco.com
- ศ. เอ็นเดอเลออน (เอสเอฟ) กฎหมายแก๊สเบื้องต้น: Charles Law C 101 หมายเหตุสำหรับคลาส กู้คืนจาก: iun.edu
- Briceño Gabriela (2018) กฎหมายชาร์ลส์ สืบค้นจาก: euston96.com
- มอร์ริส JG (1974) ฟิสิกส์เคมีสำหรับนักชีววิทยา ( ฉบับที่2 ดา ). Editorial Reverté, SA
