Νόμος του Καρόλου – Ορισμός, Τύπος, Παραδείγματα
Νόμος του Καρόλου ή τον νόμο των όγκων είναι ένας νόμος ιδανικού αερίου που δηλώνει ότι ο όγκος και η θερμοκρασία μιας σταθερής ποσότητας αερίου είναι ανάλογα σε σταθερή πίεση. Ο διπλασιασμός της θερμοκρασίας ενός αερίου διπλασιάζει τον όγκο του. Η μείωση της θερμοκρασίας ενός αερίου στο μισό μειώνει τον όγκο του. Ο νόμος πήρε το όνομά του από τον Γάλλο επιστήμονα Ζακ Σαρλ, ο οποίος διατύπωσε το νόμο τη δεκαετία του 1780.
Ο νόμος του Καρόλου ορίζει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ενός αερίου σε σταθερή πίεση αυξάνει τον όγκο του.
Τύπος νόμου του Charles
Υπάρχουν μερικοί τρόποι για να δηλωθεί ο νόμος του Καρόλου ως τύπος:
V ∝ T
V/T =k
V =kT
V1 /T1 =V2 /T2
V2 /V1 =T2 /T1
V1 T2 =V2 T1
Εδώ, το T είναι η απόλυτη θερμοκρασία, το V είναι ο όγκος και το k είναι μια μη μηδενική σταθερά. Σημειώστε ότι η απόλυτη θερμοκρασία σημαίνει ότι η θερμοκρασία Κελσίου και η θερμοκρασία Φαρενάιτ πρέπει να μετατραπεί σε Kelvin. Το γράφημα του όγκου έναντι της πίεσης δείχνει τη γραμμική σχέση. Επίσης, η γραμμή δείχνει προς την αρχή, αν και ένα αέριο δεν θα μπορούσε ποτέ να φτάσει σε αυτήν γιατί θα μεταβαλλόταν πρώτα σε υγρό ή στερεό.
Παραδείγματα του νόμου του Καρόλου στην καθημερινή ζωή
Είναι εύκολο να βρείτε παραδείγματα του νόμου του Καρόλου στην καθημερινή ζωή.
- Τα μπαλόνια θερμού αέρα πετούν με βάση το νόμο του Καρόλου. Η θέρμανση του αέρα στο μπαλόνι αυξάνει τον όγκο του μπαλονιού. Αυτό μειώνει την πυκνότητά του, έτσι το μπαλόνι ανεβαίνει στον αέρα. Για να κατέβει, η ψύξη του αέρα (όχι-θέρμανση-τον) επιτρέπει στο μπαλόνι να ξεφουσκώσει. Το αέριο γίνεται πιο πυκνό και το μπαλόνι βυθίζεται.
- Αν βγάλετε ένα γεμάτο μπαλόνι έξω μια ζεστή μέρα, αυτό επεκτείνεται (και μπορεί να σκάσει!). Εάν το βγάλετε σε εξωτερικό χώρο μια χειμωνιάτικη μέρα, ξεφουσκώνει αλλά επιστρέφει στον κανονικό όγκο του όταν το μεταφέρετε ξανά σε εσωτερικό χώρο. Μπορείτε ακόμη να χρησιμοποιήσετε ένα μπαλόνι ως κακού είδους θερμόμετρο, χρησιμοποιώντας το νόμο του Καρόλου.
Υπολογισμός παραδείγματος νόμου του Charles
Παράδειγμα #1
Ένα αέριο καταλαμβάνει 221 cm σε θερμοκρασία 0 °C και πίεση 760 mm Hg. Βρείτε τον όγκο του στους 100 °C.
Πρώτον, μην ανησυχείτε για την πίεση. Ο αριθμός δεν μπαίνει στον υπολογισμό. Το μόνο που έχει σημασία είναι ότι είναι σταθερά.
Χρησιμοποιήστε την εξίσωση:
V1 /T1 =V2 /T2
Μετατρέψτε 0 °C και 100 °C σε Kelvin:
V1 =221 cm; T1 =273K (0 + 273); T2 =373K (100 + 273)
Συνδέστε τις τιμές στην εξίσωση και λύστε για το V2 :
V1 /T1 =V2 /T2
221cm / 273K =V2 / 373K
V2 =(221 cm)(373K) / 273K
V2 =302 cm
Παράδειγμα #2
Βρείτε την τελική θερμοκρασία ενός δείγματος αερίου αζώτου σε σταθερή πίεση εάν ξεκινά από τους 27 °C και αλλάζει όγκο από 600 mL σε 700 mL.
Πρώτα μετατρέψτε τη θερμοκρασία σε Kelvin.
T1 =273 + 27
T1 =300 K
Στη συνέχεια, συνδέστε τους αριθμούς.
V1 /T1 =V2 /T2
600 mL/300 K =700 mL/T2
(T2 )(600 mL/300 K) =700 mL
T2 =(700 mL)/(600 mL/300 K)
T2 =(700 mL)/(2mL/K)
T2 =350 K
Γιατί η θερμοκρασία πρέπει να είναι σε Kelvin
Οι υπολογισμοί του νόμου του Charles απαιτούν θερμοκρασία σε απόλυτη κλίμακα, όπως η κλίμακα Kelvin. Έτσι, η χρήση του τύπου απαιτεί τη μετατροπή από Κελσίου ή Φαρενάιτ σε Κέλβιν. Υπάρχουν δύο λόγοι για αυτό. Πρώτον, οι αρνητικές θερμοκρασίες στις κλίμακες Κελσίου και Φαρενάιτ θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε αδύνατους υπολογισμούς αρνητικού όγκου. Δεύτερον, η ενέργεια δεν κλιμακώνεται σωστά χρησιμοποιώντας σχετικές κλίμακες. Έτσι, ένα αέριο στους 20 Κ έχει διπλάσια ενέργεια από ένα αέριο στους 10 Κ, αλλά δεν ισχύει το ίδιο ως αέριο στους 20 °C σε σύγκριση με 10 °C ή 20 °F σε σύγκριση με 10 °F.
Τι συμβαίνει στο Απόλυτο Μηδέν;
Όπως και οι άλλοι νόμοι για τα ιδανικά αέρια, ο νόμος του Charles δεν εφαρμόζεται σε ακραίες συνθήκες. Δεν έχει νόημα στο απόλυτο μηδέν. Πρώτον, η ύλη δεν μπορεί να έχει μηδενικό όγκο. Δεύτερον, ένα αέριο σε σταθερή πίεση μετατρέπεται τελικά σε υγρό ή στερεό καθώς πέφτει η θερμοκρασία.
Αναφορές
- Fullick, P. (1994). Φυσική . Heinemann. ISBN 978-0-435-57078-1.
- Gay-Lussac, J. L. (1802). «Recherches sur la dilatation des gaz et des vapeurs» [Έρευνα για τη διαστολή αερίων και ατμών]. Annales de Chimie . 43:137–75.
- Krönig, A. (1856). «Grundzüge einer Theorie der Gase». Annalen der Physik . 99 (10):315–22. doi:10.1002/andp.18561751008
