CHARLES의 법칙 : 공식과 단위, 실험, 연습 - 화학 - 2025

Charles 또는 Guy-Lussac 의 법칙은 기체 상태의 특성 중 하나를 설명 할 수있는 법칙입니다 . 기체가 차지하는 부피는 일정한 압력에서 온도에 정비례합니다.

문제의 가스가 이상적인 경우이 비례 성은 모든 온도 범위에 대해 선형입니다. 반면에 실제 가스는 이슬점 근처의 온도에서 선형 추세에서 벗어납니다. 그러나 이것은 가스와 관련된 수많은 응용 분야에이 법칙의 사용을 제한하지 않았습니다.

중국 제등 또는 소원 풍선. 출처 : Pxhere.

Charles의 법칙의 전형적인 적용 중 하나는 공기 풍선에 있습니다. 중국 제등 (상단 이미지)이라고도하는 소원 풍선과 같은 다른 간단한 풍선은 일정한 압력에서 가스의 체적과 온도 간의 관계를 보여줍니다.

왜 일정한 압력에서? 압력이 증가하면 가스가있는 용기가 밀폐되어 있음을 의미합니다. 이로 인해 상기 용기의 내부 벽에 대한 기체 입자의 충돌 또는 충격이 증가 할 것입니다 (Boyle-Mariotte 법칙).

따라서 가스가 차지하는 부피에는 변화가 없으며 Charles의 법칙이 부족합니다. 밀폐 용기와 달리 소원 풍선의 직물은 내부의 가스가 가하는 압력에 따라 팽창 또는 수축 할 수있는 이동식 장벽을 나타냅니다.

그러나 풍선 조직이 팽창함에 따라 입자가 충돌하는 영역이 증가하기 때문에 가스의 내부 압력은 일정하게 유지됩니다. 가스의 온도가 높을수록 입자의 운동 에너지가 높아져 충돌 횟수가 증가합니다.

그리고 풍선이 다시 확장됨에 따라 내부 벽에 대한 충돌은 (이상적으로) 일정하게 유지됩니다.

따라서 가스가 뜨거울수록 풍선의 팽창이 커지고 더 높아집니다. 그 결과, 12 월 밤 하늘에 붉은 빛 (위험하지만)이 매달려있었습니다.

Charles의 법칙은 무엇입니까?

성명서

소위 Charles의 법칙 또는 Gay-Lussac의 법칙은 가스가 차지하는 부피와 절대 온도 또는 켈빈 온도 값 사이에 존재하는 의존성을 설명합니다.

이 법칙은 다음과 같은 방식으로 설명 될 수 있습니다. 압력이 일정하게 유지되면“주어진 가스 질량에 대해 섭씨 0 도마 다 부피가 약 1/273 배 증가합니다 ( 1ºC) 온도를 높입니다.

직업

법을 확립 한 연구 작업은 1780 년대에 Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823)에 의해 시작되었습니다. 그러나 Charles는 그의 조사 결과를 발표하지 않았습니다.

나중에, 1801 년 John Dalton은 그에 의해 연구 된 모든 가스와 증기가 동일한 부피의 두 결정된 온도 사이에서 팽창한다는 것을 실험적으로 결정했습니다. 이러한 결과는 1802 년 Gay-Lussac에 의해 확인되었습니다.

Charles, Dalton 및 Gay-Lussac의 연구 결과는 가스가 차지하는 부피와 절대 온도가 정비례한다는 것을 입증했습니다. 따라서 온도와 가스 부피 사이에는 선형 관계가 있습니다.

그래프

이상 기체에 대한 T 대 V 그래프. 출처 : Gabriel Bolívar.

온도에 대한 기체의 부피를 그래프로 나타내면 (상단 이미지) 직선이 생성됩니다. 0ºC의 온도에서 X 축과 선이 교차하면 0ºC에서 가스의 부피를 얻을 수 있습니다.

마찬가지로 X 축과 선의 교차점은 가스가 차지하는 부피가 0 인 온도에 대한 정보를 제공합니다. Dalton은이 값을 절대 영도 (0)에 대한 Kelvin의 제안 값에 가까운 -266 ° C에서 추정했습니다.

Kelvin은 완벽한 기체의 부피가 0 인 온도를 0으로하는 온도 척도를 제안했습니다. 그러나 이러한 낮은 온도에서는 가스가 액화됩니다.

그렇기 때문에 절대 영도 값이 -273.15 ºC가되어야한다는 사실을 알 수있는 기체의 부피를 말할 수 없습니다.

공식 및 측정 단위

방식

현대판에서 Charles의 법칙은 가스의 부피와 온도가 정비례한다고 말합니다.

그래서:

V / T = k

V = 가스 부피. T = 켈빈 온도 (K). k = 비례 상수.

부피 V ₁ 및 온도 T ₁

k = V ₁ / T ₁

마찬가지로 부피 V ₂ 및 온도 T ₂

k = V ₂ / T ₂

그런 다음 k에 대한 두 방정식을 동일시하면

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

이 공식은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

V _2에 대해 풀면 공식이 얻어집니다.

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

단위

가스의 부피는 리터 또는 파생 단위로 표시 할 수 있습니다. 마찬가지로 부피는 입방 미터 또는 파생 단위로 표현할 수 있습니다. 온도는 절대 온도 또는 켈빈 온도로 표시해야합니다.

따라서 가스의 온도가 섭씨 또는 섭씨 눈금으로 표현되는 경우이를 사용하여 계산을 수행하려면 절대 온도 또는 켈빈 온도에 도달하기 위해 273.15 ºC의 양을 온도에 추가해야합니다.

온도가 화씨로 표시되는 경우 해당 온도에 459.67 ºR을 추가하여 랭킨 척도의 절대 온도에 도달해야합니다.

Charles의 법칙의 또 다른 공식으로 그 진술과 직접적으로 관련된 것은 다음과 같습니다.

V _t = V _또는 (1 + t / 273)

여기서 V _t 는 리터, cm ³ 등으로 표시되는 특정 온도에서 가스가 차지하는 부피 입니다. V _o 는 0ºC에서 가스가 차지하는 부피입니다. 부분적으로 t는 부피가 측정되는 온도이며 섭씨 (ºC)로 표시됩니다.

그리고 마지막으로 273은 켈빈 온도 눈금에서 절대 영도 값을 나타냅니다.

법을 증명하기위한 실험

설치

Charles의 법칙을 입증하기위한 실험 설정. 출처 : Gabriel Bolívar.

수조의 기능을 수행하는 물이 담긴 용기에서 실린더의 내벽에 장착 된 플런저와 함께 열린 실린더가 상단에 배치되었습니다 (상단 이미지).

이 피스톤 (피스톤과 두 개의 검은 색베이스로 구성됨)은 포함 된 가스의 양에 따라 실린더의 상단 또는 하단으로 이동할 수 있습니다.

수조는 수조의 온도를 높이는 데 필요한 열을 공급하는 버너 또는 가열 장치를 사용하여 가열 할 수 있으므로 플런저가 장착 된 실린더의 온도를 높일 수 있습니다.

실험이 일정한 압력에서 수행되도록하기 위해 결정된 질량을 플런저에 놓았습니다. 수조에있는 온도계를 사용하여 수조와 실린더의 온도를 측정 하였다.

실린더에 공기의 양을 표시하는 눈금이 없을 수도 있지만 이는 피스톤에 놓인 질량과 실린더 바닥 표면에 도달하는 높이를 측정하여 추정 할 수 있습니다.

개발

실린더의 부피는 바닥의 표면적에 높이를 곱하여 얻습니다. 실린더 바닥의 표면은 다음 공식을 적용하여 얻을 수 있습니다. S = Pi xr ² .

높이는 실린더 바닥에서 질량이 놓인 피스톤 부분까지의 거리를 측정하여 얻습니다.

라이터에서 발생하는 열에 의해 수조의 온도가 상승함에 따라 플런저가 실린더 내에서 상승하는 것이 관찰되었습니다. 그런 다음 온도계에서 수조의 온도를 읽습니다. 이는 실린더 내부의 온도에 해당합니다.

또한 플런저 위의 질량 높이를 측정하여 측정 된 온도에 해당하는 공기의 양을 추정 할 수있었습니다. 이런 식으로 그들은 온도를 여러 번 측정하고 각 온도에 해당하는 공기량을 추정했습니다.

이를 통해 마침내 가스가 차지하는 부피가 온도에 정비례한다는 사실을 확인할 수있었습니다. 이 결론은 소위 찰스 법칙을 선언 할 수있었습니다.

겨울에 얼음 풍선

이전 실험 외에도 더 간단하고 질적 인 실험이 있습니다. 겨울철 얼음 풍선입니다.

겨울철에 헬륨으로 채워진 풍선을 난방 실에두면 풍선의 부피가 일정 할 것입니다. 그러나 나중에 저온으로 집 밖으로 이동하면 헬륨 풍선이 수축하여 Charles의 법칙에 따라 부피가 감소하는 것을 관찰 할 수 있습니다.

해결 된 운동

연습 1

750cm의 볼륨 차지하는 가스가 ³ 압력이 일정하게 유지되는 경우,이 가스는 37 ºC에서 차지하는 볼륨 일 무슨 : 25 ºC에서는?

먼저 온도 단위를 켈빈으로 변환해야합니다.

T _{1 (} 켈빈도) = 25ºC + 273.15ºC = 298.15K

T _{2 (} 켈빈도) = 37ºC + 273.15ºC = 310.15K

V ₁ 및 기타 변수가 알려져 있으므로 V ₂ 는 다음 방정식으로 풀고 계산됩니다.

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750cm ³ (310.15K / 298.15K)

= 780.86 cm ³

연습 2

3 리터의 가스를 32ºC로 가열해야 부피가 3.2 리터로 확장 될 수있는 섭씨 온도는 얼마입니까?

다시 섭씨 온도는 켈빈으로 변환됩니다.

T ₁ = 32ºC + 273.15ºC = 305.15K

그리고 이전 연습에서와 같이 V ₂ 대신 T ₂ 를 풀고 다음과 같이 계산됩니다.

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325.49K

그러나 성명서는 섭씨도를 요구하므로 T ₂ 의 단위가 변경됩니다 .

T ₂ 섭씨 온도 = 325, 49ºC (K)-273.15ºC (K)

= 52.34ºC

연습 3

0ºC의 가스가 50cm ³ 부피를 차지한다면 45ºC에서 어떤 부피를 차지할까요?

Charles의 법칙의 원래 공식 사용 :

V _t = V _또는 (1 + t / 273)

모든 변수를 사용할 수있을 때 V _t를 직접 계산 합니다.

V _t = 50cm ³ + 50cm ³ · (45ºC / 273ºC (K))

= 58.24cm ³

반면에 예제 1과 2의 전략을 사용하여 문제가 해결되면 다음과 같이됩니다.

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318K · (50cm ³ / 273K)

= 58.24cm ³

두 절차를 적용한 결과는 궁극적으로 Charles의 법칙의 동일한 원칙을 기반으로하기 때문에 동일합니다.

응용

소원 풍선

소원 풍선 (이미 소개에서 언급)에는 가연성 액체가 함침 된 섬유 소재가 제공됩니다.

이 물질을 불에 태우면 풍선에 포함 된 공기의 온도가 상승하여 Charles의 법칙에 따라 가스의 양이 증가합니다.

따라서 풍선 속 공기의 부피가 증가하면 풍선 속 공기의 밀도가 감소하여 주변 공기의 밀도보다 낮아져 풍선이 상승하게됩니다.

팝업 또는 칠면조 온도계

이름에서 알 수 있듯이 칠면조 요리에 사용됩니다. 온도계에는 뚜껑이 닫혀있는 공기가 채워진 용기가 있으며 최적의 요리 온도에 도달하면 뚜껑이 소리와 함께 들어올 수 있도록 보정됩니다.

온도계는 칠면조 내부에 배치되고 오븐 내부의 온도가 상승하면 온도계 내부의 공기가 팽창하여 부피가 증가합니다. 그런 다음 공기의 양이 일정 값에 도달하면 온도계의 뚜껑을 들어 올립니다.

탁구 공 모양 복원

탁구 공은 사용 요건에 따라 무게가 가볍고 플라스틱 벽이 얇습니다. 이로 인해 라켓에 맞으면 변형이 발생합니다.

변형 된 볼을 뜨거운 물에 넣으면 내부의 공기가 가열되고 팽창하여 공기량이 증가합니다. 이로 인해 탁구 공의 벽이 늘어나 원래 모양으로 돌아갈 수 있습니다.

빵 만들기

효모는 빵을 만드는 데 사용되는 밀가루에 포함되며 이산화탄소 가스를 생성하는 능력이 있습니다.

베이킹하는 동안 빵의 온도가 증가하면 이산화탄소의 양이 증가합니다. 이 때문에 빵이 원하는 양에 도달 할 때까지 팽창합니다.

참고 문헌

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