Tabla de Contenidos
Charles’ lov er en empirisk lov, det vil sige baseret på eksperimentelle observationer, som fastslår forholdet mellem volumen og temperaturen af en gas, når trykket og massen eller antallet af mol er konstant. Den første til at udtale det var den franske fysiker Jacques Alexandre César Charles i slutningen af det 18. århundrede. Ifølge denne lov er volumenet af en fast prøve af en gas holdt ved konstant tryk direkte proportional med den absolutte temperatur . Med andre ord:
Denne lov siger, at hvis en gas fordobles i absolut temperatur, vil dens volumen også fordobles. Faktisk, hvis temperaturen ganges med en hvilken som helst faktor, vil volumen også blive ganget med den samme faktor, så længe mængden af gas og dens tryk holdes konstant.
Charles’s lov i ligningsform
Som enhver proportionalitetslov kan ovenstående forhold omskrives i form af en ligning blot ved at indføre en passende proportionalitetskonstant. Det vil sige:
hvor K er en proportionalitetskonstant, der afhænger af mængden af gas og dens tryk.
Som det ses, har denne ligning form af en stigende lineær funktion med hældning K. Det observeres eksperimentelt, at denne hældning stiger med antallet af mol af gassen og aftager med trykket. Derudover skærer alle de linjer, der er bygget ved forskellige værdier af P og n, når de ekstrapoleres til et volumen på nul, temperaturaksen ved -273,15 °C, hvilket svarer til det absolutte nul. Denne adfærd er vist nedenfor:
Ændringer af staten og Charles’s lov
Charles’ lov kan omarrangeres ved at dividere begge sider af ligningen med temperaturen, i hvilket tilfælde højre side blot vil være proportionalitetskonstanten:
Med andre ord forudsiger Charles lov, at hvis trykket og antallet af mol holdes konstant, vil forholdet mellem rumfanget og den absolutte temperatur forblive konstant. Det betyder, at hvis vi udfører en proces, hvor en gas skifter fra en initial til en sluttilstand på en isobarisk måde (ved P = konstant), vil forholdet mellem startvolumenet og temperaturen være lig forholdet mellem volumenet. og den endelige temperatur, dvs.
Denne ligning kan bruges til at bestemme både volumen og start- eller sluttemperaturen, når de tre andre variabler allerede er kendte.
Eksempler på anvendelse af Charles lov
Nedenfor er to eksempler på typiske gasrelaterede problemer, der kan løses ved hjælp af Charles lov.
Eksempel 1: Fordobling af lydstyrken
Bestem sluttemperaturen for en ideel gas, der oprindeligt er på 25°C, og som opvarmes, indtil dens volumen stiger til det dobbelte af dens begyndelsesværdi.
Løsning
Dataene fra problemet er:
Ti = 25 °C
Vf = 2. V i
Det første, vi skal gøre, er at omdanne temperaturen til Kelvin, da Charles’ lov relaterer volumen til absolut temperatur, og celsius skalaen er en relativ skala.
Vi kan nu anvende Charles’s lov til at bestemme den endelige temperatur. Vi behøver ikke at kende mængdernes værdier, kun forholdet mellem dem.
Derfor bliver den endelige temperatur 596,30 K eller 323,15 °C.
Eksempel 2: Sænkning af temperaturen til det halve
Hvis en heliumprøve oprindeligt var ved -130,15°C, afkølet til -180,15°C ved konstant tryk, og dens endelige volumen viste sig at være 10,0 L, hvad var det oprindelige volumen?
Løsning
I dette tilfælde har vi følgende data:
Ti = -130,15 °C
Tf = -180,15 °C
Vf = 10,0 L
Som før skal vi starte med at bestemme de absolutte temperaturer, og derefter anvende Karls lov.
Nu kan vi anvende Charles’s lov:
Heliumprøven skal have startet fra et indledende volumen på 15,38 L.
Charles’ lovs proportionalitetskonstant og den ideelle gaslov
Den ideelle gaslov repræsenterer en tilstandsligning, der fuldstændigt beskriver en ideel gas, når vi kender tre af fire tilstandsfunktioner, nemlig tryk, temperatur, volumen eller antal mol. Ligningen er givet ved:
hvor R er den universelle idealgaskonstant, P er gassens tryk, og alle andre variabler er de samme som i Charles’ lov. Denne ligning kan omskrives som:
Denne lov gælder for ideelle gasser under ethvert sæt af forhold, inklusive dem, hvor Charles’ lov finder anvendelse. Derfor, i tilfælde af at trykket og antallet af mol holdes konstant, skal ovenstående udtryk svare til Charles lov. Til sammenligning kan vi se, at Charles’ lovs proportionalitetskonstant da er lig med faktoren i parentes:
Som det kan ses, stemmer dette udtryk for proportionalitetskonstanten overens med den eksperimentelle observation, at den forbliver konstant, når n og P er konstante; stiger som n stiger og falder når P stiger.
Referencer
Britannica, The Editors of Encyclopaedia. (2020, 18. februar). Karls lov | Definition & Fakta . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Charless-law
Britannica, The Editors of Encyclopaedia. (2021, 8. november). Jacques-Charles | fransk fysiker . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/biography/Jacques-Charles
Chang, R. (2021). Kemi (11. udgave ). MCGRAW HILL UDDANNELSE.
Gas love . (nd). Chem.FSU. https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/gas_laws.html
Libretekster. (2020, 22. august). Gaslove: Oversigt . Kemi LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Properties_view_of_Gase_Laws_
Libretekster. (2021, 30. april). 14.4: Karls lov . Kemi LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_Chemistry/Book%3A_Introductory_Chemistry_(CK-12)/14%3A_The_Behavior_of_Gases/14.04%3A_Charles_Law
