Tabla de Contenidos
Charles lag är en empirisk lag, det vill säga baserad på experimentella observationer, som fastställer sambandet mellan volymen och temperaturen hos en gas när trycket och massan eller antalet mol är konstanta. Den första som uttalade det var den franske fysikern Jacques Alexandre César Charles, i slutet av 1700-talet. Enligt denna lag är volymen av ett fast prov av en gas som hålls vid konstant tryck direkt proportionell mot den absoluta temperaturen . Med andra ord:
Denna lag säger att om en gas fördubblas i absolut temperatur kommer dess volym också att fördubblas. Faktum är att om temperaturen multipliceras med någon faktor, kommer volymen också att multipliceras med samma faktor, så länge som mängden gas och dess tryck hålls konstant.
Charles lag i ekvationsform
Liksom alla proportionalitetslagar kan ovanstående förhållande skrivas om i form av en ekvation helt enkelt genom att införa en lämplig proportionalitetskonstant. Det vill säga:
där K är en proportionalitetskonstant som beror på mängden gas och dess tryck.
Som man kan se har denna ekvation formen av en ökande linjär funktion med lutning K. Man observerar experimentellt att denna lutning ökar med antalet mol av gasen och minskar med trycket. Dessutom skär alla linjer som är byggda vid olika värden på P och n, när de extrapoleras till en volym på noll, temperaturaxeln vid -273,15 °C, vilket motsvarar absolut noll. Detta beteende visas nedan:
Ändringar av staten och Karls lag
Charles lag kan ordnas om genom att dividera båda sidor av ekvationen med temperaturen, i vilket fall den högra sidan bara kommer att vara proportionalitetskonstanten:
Med andra ord förutspår Charles lag att om trycket och antalet mol hålls konstant, kommer förhållandet mellan volymen och den absoluta temperaturen att förbli konstant. Det betyder att om vi genomför en process där en gas övergår från ett initialt till ett sluttillstånd på ett isobariskt sätt (vid P = konstant), blir förhållandet mellan initialvolymen och temperaturen lika med förhållandet mellan volymen. och sluttemperaturen, det vill säga:
Denna ekvation kan användas för att bestämma både volymen och den initiala eller slutliga temperaturen, när de andra tre variablerna redan är kända.
Exempel på tillämpning av Karls lag
Nedan finns två exempel på typiska gasrelaterade problem som kan lösas med hjälp av Charles lag.
Exempel 1: Fördubbling av volymen
Bestäm sluttemperaturen för en idealgas som initialt är 25°C och som värms upp tills dess volym ökar till två gånger dess initiala värde.
Lösning
Data som tillhandahålls av problemet är:
Ti = 25°C
Vf = 2. Vi
Det första vi måste göra är att omvandla temperaturen till Kelvin, eftersom Charles lag relaterar volym till absolut temperatur och Celsiusskalan är en relativ skala.
Vi kan nu tillämpa Charles lag för att bestämma den slutliga temperaturen. Vi behöver inte veta volymernas värden, bara förhållandet mellan dem.
Därför blir den slutliga temperaturen 596,30 K eller 323,15 °C.
Exempel 2: Sänkning av temperaturen med hälften
Om ett heliumprov ursprungligen var vid -130,15°C, kylt till -180,15°C vid konstant tryck, och dess slutvolym visade sig vara 10,0 L, vad var den initiala volymen?
Lösning
I det här fallet har vi följande data:
Ti = -130,15 °C
Tf = -180,15 °C
Vf = 10,0 L
Som tidigare måste vi börja med att bestämma de absoluta temperaturerna och sedan tillämpa Karls lag.
Nu kan vi tillämpa Charles lag:
Heliumprovet måste ha startat från en initial volym på 15,38 L.
Karls lags proportionalitetskonstant och idealgaslagen
Den ideala gaslagen representerar en tillståndsekvation som fullständigt beskriver en idealgas när vi känner till tre av fyra tillståndsfunktioner, nämligen tryck, temperatur, volym eller antal mol. Ekvationen ges av:
där R är den universella idealgaskonstanten, P är gasens tryck och alla andra variabler är desamma som i Charles lag. Denna ekvation kan skrivas om som:
Denna lag gäller idealiska gaser under alla förhållanden, inklusive de där Charles lag gäller. Därför, i det fall att trycket och antalet mol hålls konstanta, måste ovanstående uttryck vara ekvivalent med Charles lag. Som jämförelse kan vi se att Karls lags proportionalitetskonstant då är lika med faktorn inom parentes:
Som kan ses överensstämmer detta uttryck för proportionalitetskonstanten med den experimentella observationen att den förblir konstant när n och P är konstanta; ökar när n ökar och minskar när P ökar.
Referenser
Britannica, The Editors of Encyclopaedia. (2020, 18 februari). Karls lag | 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). Chemistry (11: e upplagan ). MCGRAW HILL UTBILDNING.
Gaslagar . (nd). Chem.FSU. https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/gas_laws.html
Libretexter. (2020, 22 augusti). Gaslagar: Översikt . 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_of_Gase_Laws_
Libretexter. (2021, 30 april). 14.4: Karls lag . 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
