Definición y fórmula de la ley de Charles. Leyes de los gases

1. Quién y cuándo se realizó el experimento, cuál fue su finalidad

La primera ley de los gases fue descubierta por Robert Boyle y publicada en 1660 en su obra "Nuevos experimentos sobre un resorte neumático". R. Boyle, basándose en un experimento cuantitativo cuidadosamente diseñado, demostró que "la elasticidad [presión] de un gas es inversamente proporcional a su volumen". Durante su investigación, intentó estudiar cuantitativamente la dependencia del volumen de gas comprimido con la temperatura. Sin embargo, R. Boyle no recibió datos exactos que confirmen esta dependencia.

G. Amonton llevó a cabo una investigación sobre la expansión del aire cuando se calienta. Posteriormente, A. Volta, D. Dalton, J. Priestley, T. Saussure y otros llevaron a cabo experimentos similares.

Se cree que las primeras mediciones satisfactorias en el estudio expansión térmica Los gases fueron obtenidos en 1801 por el físico y químico inglés John Dalton (1766-1844). Descubrió que el oxígeno, el hidrógeno y dióxido de carbono Se comportó igual cuando se calentó.

A partir de los resultados obtenidos, D. Dalton formula la conclusión de manera extremadamente cautelosa: "En general, no veo ninguna razón suficiente que nos impida concluir que todos los gases "elásticos" a la misma presión se expanden igualmente cuando se calientan".

A una conclusión similar llegó J. L. Gay-Lussac en 1802. Pero su afirmación fue más definitiva que la de D. Dalton. Aparentemente, esta es la razón por la cual la ley sobre la expansión térmica de los gases no lleva el nombre de D. Dalton, sino de J. L. Gay-Lussac.

El dispositivo utilizado por Gay-Lussac se muestra en la Fig. 2. El gas, bien seco, se encuentra en una lata. Hay una gota de mercurio en el tubo que atrapa el gas. Los tubos están ubicados horizontalmente, por lo que no hay cambios de presión durante la expansión.

Quince años antes que Gay-Lussac (en 1787), el físico francés Jacques Charles (1746-1823) emprendió una investigación sobre esta cuestión, sin ninguna publicación. Charles descubrió que el oxígeno, el nitrógeno, el dióxido de carbono y el aire se expanden por igual en el rango de temperatura entre 0 y 100 ºС. Gay-Lussac conocía el trabajo de su colega e insistió en que la segunda ley de los gases llevara el nombre de Jacques Alexandre César Charles. Cabe señalar que en algunos países, incluida Rusia, esta ley todavía se conoce como ley de Gay-Lussac. En las publicaciones sobre historia de la ciencia, la prioridad del descubrimiento de la tercera ley de los gases, la ley de los cambios en la presión del gas en función de la temperatura, generalmente no se discute. Esta dependencia, así como la dependencia del volumen del gas de la temperatura, fue estudiada por muchos científicos que estudiaron las propiedades de los gases en los siglos XVII y XVIII. La historia del descubrimiento de la ley de expansión térmica de los gases está relacionada con la historia de la invención y mejora de los termómetros.

El primer instrumento para medir el "calor" y el "frío" en el cuerpo es el termoscopio de aire de G. Galileo (1597). La esencia de la experiencia que sirvió de impulso para la creación del termoscopio fue la siguiente. Se calienta a mano un matraz pequeño, del tamaño de un huevo, con un cuello largo y delgado como un tallo de trigo, que se introduce en un recipiente con agua. Si retira las manos, el agua del recipiente, a medida que se enfríe el aire del matraz, comenzará a subir hacia el cuello. Benedetto Castelli, alumno de G. Galileo, escribe en 1638: “El mencionado signor Galileo utilizó este efecto para fabricar un instrumento para determinar el grado de calor y frío”.

Evangelista Torricelli convirtió el termoscopio de aire de G. Galileo en un termómetro de líquido (alcohol). El termómetro de E. Torricelli, el llamado "termómetro florentino", era muy cómodo de usar y, por lo tanto, recibió reconocimiento universal en el siglo XVII. Los termómetros de este tipo fueron introducidos en Inglaterra por R. Boyle y rápidamente se extendieron a Francia.

La mejora del termómetro de aire de G. Galileo fue realizada por G. Amonton, físico francés, miembro de la Academia de Ciencias de París (1699). En 1702, diseñó un termómetro, muy similar en su concepto al termómetro de gas moderno. El termómetro de G. Amonton era un tubo de vidrio en forma de U, cuyo codo más corto terminaba en un depósito que contenía aire. Se vertió mercurio en el codo largo en la cantidad necesaria para mantener un volumen constante de aire en el tanque. La temperatura del aire en el tanque se determinó por la altura de la columna de mercurio.

Es interesante notar que, trabajando con esta herramienta, fue Amonton quien encontró directamente dependencia proporcional entre la temperatura y la presión del gas y llegó al concepto cero absoluto, que según sus datos correspondía a una temperatura de –239,5 °C (1703).

2. Instrumentos y materiales necesarios para el experimento, diagrama de circuito planta piloto

La configuración de los experimentos para estudiar la dependencia de la presión del gas con la temperatura a volumen constante fue bastante compleja.

Veamos el diagrama del circuito. configuración experimental estudiar la dependencia de la presión del gas con la temperatura a volumen constante. La parte principal de dicha instalación es un matraz grande en el que se encontraba el gas. El matraz se coloca en un recipiente con agua. El cambio en la presión del gas se puede juzgar mediante las lecturas de un manómetro de mercurio conectado al matraz. La temperatura del gas se mide con un termómetro de mercurio.

J. Charles estudió la dependencia de la presión de la temperatura de los siguientes gases: oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y aire.

3. Procedimiento para realizar el experimento.

Después de llenar el matraz con hielo derretido, Charles midió la presión correspondiente a una temperatura de 0 ºС. Luego, la temperatura del agua en el recipiente grande cambió, lo que provocó un cambio en la altura de la columna de mercurio en el manómetro. Al calentar agua en un recipiente que rodeaba el matraz, Charles anotó la temperatura del gas con un termómetro y la presión correspondiente con un manómetro.

Durante el experimento, la influencia de una serie de factores distorsionaron el curso del experimento. En primer lugar, debido al calentamiento, el matraz con gas cambió parcialmente su volumen, por lo que no se aseguró una constancia estricta del volumen del gas en estudio; En segundo lugar, el gas que se encontraba en el llamado “espacio nocivo” (en el tubo delgado que conduce al manómetro) no se calentaba de la misma manera que en el matraz. En tercer lugar, la presencia de impurezas en el gas (en particular, vapores condensados) llevó a que algunos de los componentes que componían el gas se convirtieran en estado liquido. Otros factores también estuvieron en juego.

Los intentos de los científicos de excluir efectos dañinos efectos secundarios en el transcurso del experimento y condujo, por regla general, a una complicación del diseño de la instalación.

4. Principales resultados del experimento.

Los experimentos de J. Charles mostraron los siguientes resultados.

El aumento de la presión del gas de una determinada masa cuando se calienta 1 ºС fue cierta parteα p de la presión que tenía el gas a una temperatura de 0 ºС. Por tanto, el aumento de presión resultó ser proporcional al aumento de temperatura.

El valor α p se llama coeficiente de presión y temperatura. Habiendo estudiado varios gases, Charles obtuvo para ellos aproximadamente mismo valor coeficiente de temperatura y presión, es decir, un valor igual a aproximadamente 1/273 ºС –1.

Así, la presión de una determinada masa de gas, cuando se calienta 1 ºС con un volumen constante, aumenta en 1/273 de la presión que tenía esta masa de gas a 0 ºС.

5. Principales resultados del experimento.

EN formulación moderna Esta ley es la siguiente.

Matemáticamente, la ley de J. Charles se puede escribir como:

donde P 0 es la presión del gas en T = T 0 = 273,15 K (es decir, a una temperatura de 0 ° C). Un coeficiente igual a 1/273,15 K –1 se denomina coeficiente de presión de temperatura.

La figura muestra la dependencia de la presión de una determinada masa de gas de su temperatura. Para diferentes temperaturas ubicación del gas de la curva de dependencia en Plano coordinado varios. Los isocoros que representan la dependencia de P de T para un gas que obedece la ley de Charles son líneas rectas, ubicadas más arriba en el gráfico, cuanto menor es el volumen.

La ley de Charles es válida sólo para gas ideal. Es aplicable con hasta cierto punto precisión respecto a gases reales en bajas presiones y bajas temperaturas (por ejemplo, aire atmosférico, productos de combustión en motores de gas, etc.)

Se puede dar una explicación de la ley establecida por Charles desde el punto de vista de los conceptos cinéticos moleculares de la estructura de la materia.

Desde el punto de vista teoría molecular Hay dos posibles razones para el aumento de presión de un gas determinado: en primer lugar, puede aumentar el número de impactos de moléculas por unidad de tiempo por unidad de área; en segundo lugar, es posible aumentar el impulso transmitido cuando una molécula golpea la pared del vaso. Ambas razones requieren un aumento en la velocidad de las moléculas (mientras el volumen de una determinada masa de gas permanece sin cambios). De aquí queda claro que un aumento en la temperatura del gas como característica macro corresponde a un aumento en la velocidad del movimiento aleatorio de las moléculas como característica del microcosmos.

En muy altas presiones la interacción entre las moléculas de gas aumenta y se observan desviaciones de la ley lineal de Charles.

La ley de Charles se deriva como caso especial de la ecuación de Mendeleev-Clapeyron:

donde k = 1,38 J/K es la constante de Boltzmann.

Isoprocesos de gases ideales– procesos en los que uno de los parámetros permanece sin cambios.

1. proceso isocórico . La ley de Carlos. V = constante.

proceso isocórico Se llama proceso que ocurre cuando volumen constante V. El comportamiento del gas en este proceso isocórico obedece ley de carlos :

A volumen constante y valores constantes de masa de gas y su masa molar, la relación entre la presión del gas y su temperatura absoluta permanece constante: P/T= constante

Gráfica de un proceso isocórico en fotovoltaica-el diagrama se llama isocoro . Es útil conocer la gráfica de un proceso isocórico en RT- Y Vermont-diagramas (Fig. 1.6). Ecuación de isocoro:

Donde P 0 es la presión a 0 °C, α es el coeficiente de temperatura de la presión del gas igual a 1/273 grados -1. Un gráfico de tal dependencia de Рt-El diagrama tiene la forma que se muestra en la Figura 1.7.

Arroz. 1.7

2. Proceso isobárico. Ley de Gay-Lussac. R= constante

Un proceso isobárico es un proceso que ocurre en presión constante R . El comportamiento de un gas durante un proceso isobárico obedece Ley de Gay-Lussac:

A presión constante y valores constantes de la masa tanto del gas como de su masa molar, la relación entre el volumen del gas y su temperatura absoluta permanece constante: VERMONT= constante

Gráfica de un proceso isobárico en Vermont-el diagrama se llama isobara . Es útil conocer las gráficas del proceso isobárico en fotovoltaica- Y RT-diagramas (Fig. 1.8).

Arroz. 1.8

Ecuación isobárica:

Donde α =1/273 grados -1 - coeficiente de temperatura expansión volumétrica . Un gráfico de tal dependencia de Vermont El diagrama tiene la forma que se muestra en la Figura 1.9.

Arroz. 1.9

3. Proceso isotérmico. Ley de Boyle Mariotte. t= constante

isotérmico proceso es un proceso que ocurre cuando temperatura constante T.

El comportamiento de un gas ideal durante un proceso isotérmico obedece Ley de Boyle-Mariotte:

A temperatura constante y valores constantes de la masa del gas y su masa molar, el producto del volumen del gas por su presión permanece constante: fotovoltaica= constante

Cronograma proceso isotérmico en fotovoltaica-el diagrama se llama isoterma . Es útil conocer las gráficas de un proceso isotérmico en Vermont- Y RT-diagramas (Fig. 1.10).

Arroz. 1.10

Ecuación isotérmica:

4. Proceso adiabático(isentrópico):

Un proceso adiabático es un proceso termodinámico que ocurre sin intercambio de calor con el medio ambiente.

5. Proceso politrópico. Proceso en el que la capacidad calorífica de un gas permanece constante. Proceso politrópico – caso general todos los procesos anteriores.

6. La ley de Avogadro. A las mismas presiones y las mismas temperaturas, en volúmenes iguales varios gases ideales contenidos mismo número moléculas. en un centro comercial varias sustancias contiene N A=6.02·10 23 moléculas (número de Avogadro).

7. La ley de Dalton. La presión de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las presiones parciales P de los gases incluidos en ella:

(1.4.6)

La presión parcial Pn es la presión que ejercería un gas determinado si ocupara por sí solo todo el volumen.

En , presión de la mezcla de gases.

A presión constante, el volumen de un gas es proporcional a su temperatura.

Uno de los pioneros de la aeronáutica, Jacques Alexandre César Charles, llegó a la ciencia gracias a su pasión por la construcción de globos aerostáticos: grandes globos, lleno de aire caliente, que acababa de aparecer en ese momento. He hablado con pilotos de globos modernos y afirman que el diseño de su quemador de gas abierto, desarrollado por Charles hace más de dos siglos, no ha sufrido cambios fundamentales y todavía se utiliza en la actualidad. No es sorprendente que intereses científicos Charles se encontraba en el campo del estudio de las propiedades de los gases, por tanto, no. Charles formuló la ley que lleva su nombre en 1787 tras una serie de experimentos con oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y dióxido de carbono.

Para comprender el significado de la ley de Charles, imaginemos un gas como un conjunto de moléculas que se mueven rápidamente y chocan. La presión del gas está determinada por los impactos de las moléculas en las paredes del recipiente: cuantos más impactos, mayor es la presión. Por ejemplo, las moléculas de aire de la habitación en la que te encuentras ejercen una presión de 101.325 pascales (o 1 bar, si estamos hablando acerca de sobre meteorología).

Para entender la ley de Charles, imagina el aire en el interior. globo. A temperatura constante, el aire en el globo se expandirá o contraerá hasta que la presión producida por sus moléculas alcance 101,325 pascales e igual presión atmosférica. En otras palabras, hasta que por cada golpe de una molécula de aire desde el exterior, dirigido hacia el interior de la pelota, habrá un golpe similar de una molécula de aire, dirigido desde el interior de la pelota hacia afuera. Si bajas la temperatura del aire en la bola (por ejemplo, colocándola en un refrigerador grande), las moléculas dentro de la bola comenzarán a moverse más lentamente, golpeando las paredes de la bola con menos energía desde el interior. Las moléculas del aire exterior ejercerán más presión sobre la pelota, comprimiéndola, como resultado, el volumen de gas dentro de la pelota disminuirá. Esto sucederá hasta que el aumento de la densidad del gas compense la disminución de la temperatura, y luego se restablecerá el equilibrio.

La ley de Charles, junto con otras leyes de los gases, formó la base de la ecuación de estado de los gases ideales, que describe la relación entre la presión, el volumen y la temperatura de un gas con la cantidad de sustancia.

Jacques Alexandre César Carlos, 1746-1823

Físico, químico, ingeniero y aeronauta francés. Nació en Beaugency. En su juventud se desempeñó como funcionario del Ministerio de Finanzas en París. Interesado en la aeronáutica, desarrolló globos aerostáticos de diseño moderno, cuya fuerza de elevación se debe a la expansión del aire calentado por un quemador dentro del globo. Fue uno de los primeros en llenar globos hidrógeno (que es muchas veces más ligero que el aire y proporciona una sustentación significativamente mayor que el aire caliente), estableciendo así récords de altura de elevación (más de 3.000 m) y alcance de vuelo (43 km). Fue la aeronáutica lo que hizo que Charles se interesara por estudiar las propiedades de los gases.

la ley de carlos o la segunda ley de Gay-Lussac, una de las leyes básicas de los gases que describe la relación entre presión y temperatura de un gas ideal. Experimentalmente, la dependencia de la presión del gas con la temperatura a volumen constante fue establecida en 1787 por Charles y refinada por Gay-Lussac en 1802.

Ambigüedad de la terminología[ | ]

En ruso e inglés. literatura cientifica Existen algunas diferencias en los nombres de las leyes asociadas con el nombre de Gay-Lussac. Estas diferencias se presentan en la siguiente tabla:

Declaración de la ley[ | ]

La formulación de la ley de Charles es la siguiente:

La presión de un gas de masa y volumen fijos es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

En pocas palabras, si la temperatura de un gas aumenta, su presión también aumenta, si la masa y el volumen del gas permanecen sin cambios. La ley es especialmente simple. forma matemática, si la temperatura se mide por escala absoluta, por ejemplo, en kelvins. Matemáticamente, la ley se escribe de la siguiente manera:

Esta ley es válida porque la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de una sustancia. Si energía cinética El gas aumenta, sus partículas chocan más rápidamente con las paredes del recipiente, creando así una presión más alta.

Para comparar la misma sustancia en dos diferentes condiciones, la ley se puede escribir como:

Ley de Amonton sobre presión y temperatura: La ley de la presión descrita anteriormente debería atribuirse de hecho a Guillaume Amonton, quien en principios del XVIII siglo (más precisamente entre 1700 y 1702) descubrió que la presión de una masa fija de gas mantenida a un volumen constante es proporcional a su temperatura. Amonton descubrió esto durante la construcción de un "termómetro de aire". Llamar a esta ley ley de Gay-Lussac es simplemente incorrecto, ya que Gay-Lussac estudió la relación entre volumen y temperatura, no presión y temperatura.

La ley de Charles se conocía como ley de Charles y Gay-Lussac porque Gay-Lussac la publicó en 1802 utilizando datos de Charles en gran parte inéditos desde 1787. La ley de Gay-Lussac, la ley de Charles y la ley de Boyle-Mariotte forman juntas la ley unificada de los gases. En combinación con

Ambigüedad de la terminología

En la literatura científica rusa e inglesa, existen algunas diferencias en los nombres de las leyes asociadas con el nombre Gay-Lussac. Estas diferencias se presentan en la siguiente tabla.

Declaración de la ley

La formulación de la ley de Charles es la siguiente:

La presión de un gas de masa y volumen fijos es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

En pocas palabras, si la temperatura de un gas aumenta, su presión también aumenta, si la masa y el volumen del gas permanecen sin cambios. La ley tiene una forma matemática particularmente simple si la temperatura se mide en una escala absoluta, por ejemplo, en. grados Kelvin. Matemáticamente, la ley se escribe de la siguiente manera:

ver también

Notas

Enlaces

Literatura

• Castka, José F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E. Química moderna. - Holt, Rinehart y Winston, 2002. - ISBN 0-03-056537-5
• Guch, Ian La guía completa de química para idiotas - Alpha, Penguin Group Inc., 2003. - ISBN 1-59257-101-8.
• Mascetta, José A. Cómo preparar Para el SAT II Química. - Barron's, 1998. - ISBN 0-7641-0331-8

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es la "Ley de Carlos" en otros diccionarios:

LEY DE CHARLES, el volumen de un gas a presión constante es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Esta relación fue deducida por primera vez por Jacques CHARLES en 1787. La ley es un caso especial de la LEY DE LOS GAS IDEALES. A veces se le llama... ...

LEY DE CARLOS- una de las leyes básicas de los gases, según la cual la presión p de una determinada masa de gas ideal a volumen constante cambia en proporción al cambio en la temperatura termodinámica (absoluta) T: Gases reales obedecer esta ley cuando... Gran Enciclopedia Politécnica

la ley de carlos- Šarlio dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Ley de Carlos vok. Charlessches Gesetz, n.rus. Ley de Carlos, m pranc. loi de Charles, f … Fizikos terminų žodynas

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Animación que representa la dependencia del volumen de gas de la temperatura (ley de Gay Lussac) Ley ... Wikipedia

Presión de gas ideal pt masa constante y el volumen aumenta linealmente con el calentamiento: рt = р0(1 + αt), donde рt y р0 son la presión del gas a temperaturas t y 0°C, α = 1/273K 1. Descubierto en 1787 por el científico francés J. Charles, refinado por J. Gay Lussac... ... diccionario enciclopédico

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