Ο τύπος του νόμου του Charles

Το 1787 ο Γάλλος φυσικός Ζακ Σαρλ διατύπωσε αυτόν τον νόμο. Ο άνθρωπός του κρατούσε ένα μπαλόνι υδρογόνου, ενώ ερευνώντας ανακάλυψε ότι ο όγκος του αερίου στο μπαλόνι άλλαζε άμεσα με τη θερμοκρασία. Η σχέση μπορεί να δηλωθεί ως V/T =σταθερά γνωστή ως Charles Law. Για να επικυρωθεί αυτός ο νόμος η πίεση πρέπει να είναι σταθερή.

Ο νόμος υποστηρίζει ότι «ο όγκος ενός τυπικού αερίου είναι ευθέως ανάλογος με την απόλυτη θερμοκρασία σε σταθερή πίεση». Είναι ένας πειραματικός νόμος αερίων. Βασικά, υποδεικνύει πώς τα αέρια τείνουν να ενισχύονται όταν θερμαίνονται. Ο νόμος του Καρόλου με απλά λόγια δείχνει πώς ένα αέριο ενισχύεται λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας. Εάν η θερμοκρασία μειωθεί, θα οδηγήσει επίσης σε μείωση του όγκου.

Τύπος νόμου του Charles 

Αν ο όγκος ενός ιδανικού αερίου είναι V και η θερμοκρασία T, σύμφωνα με το νόμο για τη σταθερή πίεση και τη στατική αναλογία του αερίου: 

    V =kT

●  το k είναι σταθερό

Με την αναδιοργάνωση της εξίσωσης,

  V/T =k

Επομένως, η συσχέτιση του όγκου με τη θερμοκρασία είναι σταθερή για σταθερή πίεση και σταθερή αναλογία αερίου.

Ο νόμος του Καρόλου κάτω από διάφορες συνθήκες

 Σκεφτείτε δύο διαφορετικούς τύπους συνθηκών. Έστω V1 και V2 όγκοι σε θερμοκρασίες T1 και T2 έτσι ώστε η πίεση του αερίου να είναι συνεπής. Άρα τα V1 και T1 είναι ο όγκος και η θερμοκρασία αντίστοιχα στην συνθήκη 1 και τα V2 και T2 είναι ο όγκος και η θερμοκρασία αντίστοιχα στη συνθήκη 2.

Με τη χρήση του νόμου του Καρόλου, η σχέση που προκύπτει μεταξύ δύο συνθηκών είναι:

V1/ T1 =k   και   V2/ T2 =k

Προσθέτοντας και τις δύο εξισώσεις,

 V1/ T1 =V2/ T2

Έτσι, η εξίσωση υποδηλώνει ότι εάν η θερμοκρασία αυξηθεί κατά συνέπεια, θα αυξηθεί και ο όγκος.

Εξίσωση του νόμου του Charles σε κλίμακα Κελσίου

Μπορούμε να διατυπώσουμε το νόμο στην κλίμακα Κελσίου. Ως σημείο αναφοράς, η κλίμακα Κελσίου χρησιμοποιεί τους 0°C ως σημείο πήξης για το νερό και τους 100°C για το σημείο βρασμού του νερού. Μπορούμε να συσχετίσουμε τον Κελσίου με τον Κέλβιν όπως δίνεται παρακάτω:

  T =t + 273,15

Υποθέστε ότι ο όγκος του αερίου στους 0°C είναι V0 και στη θερμοκρασία t, V θα είναι ο όγκος. Σύμφωνα με το νόμο του Καρόλου,

 V/ T =V0/ T0

  Αντικατάσταση στην παραπάνω εξίσωση,

  T =t + 273,15 και T0=t0 + 273,15 

  (V/ t) + 273,15 =(V0/ t0 ) + 273,15

 καθώς το t0 είναι 0°C  

  (V/ t) + 273,15 =( 0 / t0 ) + 273,15

Αναδιοργάνωση της παραπάνω έννοιας,     

V =V0 ( t + 273,15 / 273,15 )

Επομένως, η εξίσωση προέρχεται από τον νόμο του Καρόλου στην κλίμακα Κελσίου.

Σχέση με το απόλυτο μηδέν

Ο νόμος του Καρόλου φαίνεται να μεταδίδει ότι ο όγκος ενός αερίου θα μειωθεί στο μηδέν σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Ο Gay Lussac ανέφερε ότι αυτός ο νόμος δεν σχετίζεται με χαμηλές θερμοκρασίες. Σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία, το αέριο περιέχει μηδενική ενέργεια και ως εκ τούτου το μόριο απαγορεύει την κίνηση. Ο Thomson περιέγραψε τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής το 1852, ωστόσο, το «απόλυτο μηδέν» στην κλίμακα θερμοκρασίας Κέλβιν ορίστηκε βασικά από αυτόν τον δεύτερο νόμο. Παρόλα αυτά, ο Κάρολος δήλωσε επίσης ότι «Ο όγκος της σταθερής ποσότητας ιδανικού αερίου αυξάνεται ή μειώνεται κατά 1/273 φορές τον όγκο στους 0°C για κάθε κύμα ή πτώση θερμοκρασίας 1°C. Έτσι: 

VT =V0 + ( 1/ 273 × V0 ) × T

VT =V0 ( 1+ T/ 273 )

Εδώ VT είναι ο όγκος αερίου σε θερμοκρασία T ενώ V0 είναι ο όγκος αερίου στους 0° C.

Σχέση με την κινητική θεωρία

 Η κινητική θεωρία των αερίων συνδέει τις φαινομενικές ιδιότητες των αερίων, όπως ο όγκος και η πίεση, με απειροελάχιστες ιδιότητες των μορίων που δημιουργούν το αέριο, ιδιαίτερα τη μάζα και την ταχύτητα των μορίων. Είναι απαραίτητο να έχουμε μια μικροσκοπική σημασία της θερμοκρασίας για να συμπεράνουμε τον νόμο του Charles από την κινητική θεωρία. Αυτό μπορεί να ληφθεί εύκολα καθώς η θερμοκρασία είναι ανάλογη με τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων αερίου (EK). Από αυτόν τον ορισμό, η παρουσίαση του νόμου του Καρόλου είναι σχεδόν ασήμαντη.

PV =(2/ 3) NEK

Πειραματική επαλήθευση του νόμου του Καρόλου

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα του νόμου του Καρόλου προς επαλήθευση, μερικά είναι επίκαιρα, αν και μερικά είναι παραδοσιακοί τρόποι. Ο νόμος του Καρόλου αναφέρεται στον όγκο στη θερμοκρασία σε σταθερή πίεση.

Η συσκευή αποτελείται από μια κωνική φιάλη και ένα ποτήρι ζέσεως. Η ανοιχτή φιάλη βυθίζεται σε λουτρό νερού. Όταν παρέχεται θερμότητα στο ποτήρι από τον καυστήρα, θερμαίνει επίσης τον αέρα στη φιάλη. Κατάσταση-1. Ως αποτέλεσμα, ο αέρας διαστέλλεται μέσα στη φιάλη.

Αργότερα, η φιάλη βυθίζεται σε λουτρό νερού για να μειωθεί η θερμοκρασία, η οποία είναι η κατάσταση-2. Τώρα για να προχωρήσετε στην επαλήθευση, η θερμοκρασία και ο όγκος και για τις δύο συνθήκες πρέπει να είναι γνωστές. Αυτός ο νόμος είναι απλώς κατάλληλος για ιδανικά αέρια. Σε υψηλή θερμοκρασία και χαμηλή πίεση, ο νόμος του Charles ισχύει για τα πραγματικά αέρια. Στη φύση σε υψηλές πιέσεις, η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και ποσότητας δεν είναι γραμμική.

Μερικά παραδείγματα του νόμου του Charles στην καθημερινή ζωή.

 ●      Μπαλόνι ηλίου

●      Αρτοποιείο

●      Μπουκάλι ψεκασμού

●      Μπάλα πινγκ πονγκ

●      Μπάσκετ

●      Ελαστικό

●      Πλωτήρας πισίνας

●      Μηχανές αυτοκινήτων

●      Χρονόμετρο Τουρκίας

Συμπέρασμα

Ο νόμος του Charles είναι ένας πειραματικός νόμος του αερίου που απεικονίζει πώς τα αέρια καταφέρνουν να διαστέλλονται όταν θερμαίνονται. Εκφράζει ότι εάν η πίεση διατηρείται σταθερή, τότε υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και του όγκου σε Kelvin.