ĐỊNH LUẬT CHARLES: CÔNG THỨC VÀ ĐƠN VỊ, THÍ NGHIỆM, BÀI TẬP - HÓA HỌC - 2026

Định luật Charles hoặc Guy-Lussac là định luật cho phép phát biểu một trong những tính chất của trạng thái khí: thể tích của chất khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ ở áp suất không đổi.

Tỷ lệ thuận này là tuyến tính đối với tất cả các phạm vi nhiệt độ nếu khí được đề cập là lý tưởng; Mặt khác, khí thực lại lệch khỏi xu hướng tuyến tính ở nhiệt độ gần điểm sương của chúng. Tuy nhiên, điều này không hạn chế việc sử dụng luật này cho vô số các ứng dụng liên quan đến khí.

Đèn lồng Trung Quốc hoặc bóng bay điều ước. Nguồn: Pxhere.

Một trong những ứng dụng tinh túy của định luật Charles là trong khinh khí cầu. Các loại bóng bay khác đơn giản hơn, chẳng hạn như bóng bay điều ước, còn được gọi là đèn lồng Trung Quốc (hình trên), cho thấy mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ của một chất khí ở áp suất không đổi.

Tại sao ở áp suất không đổi? Bởi vì nếu áp suất tăng lên, điều đó có nghĩa là bình chứa khí được đặt kín; và với điều này, sự va chạm hoặc tác động của các phần tử khí với thành bên trong của vật chứa nói trên sẽ tăng lên (định luật Boyle-Mariotte).

Do đó, sẽ không có sự thay đổi về thể tích mà khí chiếm giữ, và định luật Charles sẽ không có. Không giống như một vật chứa kín, vải của những quả bóng bay điều ước tượng trưng cho một rào cản di động, có khả năng giãn nở hoặc co lại tùy thuộc vào áp suất do khí bên trong tác động.

Tuy nhiên, khi mô khí cầu nở ra, áp suất bên trong của khí không đổi vì diện tích mà các hạt của nó va chạm tăng lên. Nhiệt độ của chất khí càng cao thì động năng của các hạt càng cao và do đó số lần va chạm càng nhiều.

Và khi quả bóng giãn nở trở lại, các va chạm vào thành bên trong của nó vẫn không đổi (lý tưởng là).

Vì vậy chất khí càng nóng thì độ giãn nở của khí cầu càng lớn và càng bay lên cao. Kết quả là: những ánh sáng đỏ (dù nguy hiểm) lơ lửng trên bầu trời vào những đêm tháng 12.

Định luật Charles là gì?

Tuyên bố

Cái gọi là Định luật Charles hoặc Định luật Gay-Lussac giải thích sự phụ thuộc tồn tại giữa thể tích mà một chất khí chiếm giữ và giá trị của nhiệt độ tuyệt đối hoặc nhiệt độ Kelvin của nó.

Định luật có thể được phát biểu theo cách sau: nếu áp suất không đổi, điều đó thỏa mãn rằng “đối với một khối lượng nhất định của một chất khí, nó tăng thể tích của nó lên xấp xỉ 1/273 lần thể tích của nó ở 0ºC, đối với mỗi độ C. ( 1 ºC) để tăng nhiệt độ của nó ”.

Việc làm

Công trình nghiên cứu thiết lập luật được Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823) khởi xướng vào những năm 1780. Tuy nhiên, Charles không công bố kết quả điều tra của mình.

Sau đó, John Dalton vào năm 1801 đã tìm cách xác định bằng thực nghiệm rằng tất cả các chất khí và hơi do ông nghiên cứu đều giãn nở giữa hai nhiệt độ xác định với cùng một lượng thể tích. Những kết quả này đã được xác nhận bởi Gay-Lussac vào năm 1802.

Các công trình nghiên cứu của Charles, Dalton và Gay-Lussac, cho phép xác định rằng thể tích chiếm của một chất khí và nhiệt độ tuyệt đối của nó tỷ lệ thuận với nhau. Do đó, có một mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ và thể tích của một chất khí.

Đồ thị

Đồ thị T vs V của khí lý tưởng. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Vẽ đồ thị (hình trên) thể tích của một chất khí so với nhiệt độ tạo ra một đường thẳng. Giao điểm của đường thẳng với trục X, ở nhiệt độ 0ºC, cho thể tích của khí ở 0ºC.

Tương tự như vậy, giao điểm của đường thẳng với trục X sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ mà thể tích chiếm bởi khí sẽ bằng không "0". Dalton ước tính giá trị này ở -266 ° C, gần với giá trị đề xuất của Kelvin cho độ không tuyệt đối (0).

Kelvin đã đề xuất một thang đo nhiệt độ mà 0 phải là nhiệt độ mà tại đó một chất khí hoàn hảo sẽ có thể tích bằng 0. Nhưng ở nhiệt độ thấp này các chất khí được hóa lỏng.

Đó là lý do tại sao không thể nói về thể tích của các chất khí như vậy, thấy rằng giá trị của độ không tuyệt đối phải là -273,15 ºC.

Công thức và đơn vị đo lường

Công thức

Định luật Charles trong phiên bản hiện đại của nó nói rằng thể tích và nhiệt độ của một chất khí tỷ lệ thuận với nhau.

Vì thế:

V / T = k

V = thể tích của khí. T = nhiệt độ Kelvin (K). k = hằng số tỉ lệ.

Đối với thể tích V ₁ và nhiệt độ T ₁

k = V ₁ / T ₁

Tương tự như vậy, đối với thể tích V ₂ và nhiệt độ T ₂

k = V ₂ / T ₂

Sau đó, cân bằng hai phương trình với k, chúng ta có

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Công thức này có thể được viết như sau:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Giải V ₂ thì thu được công thức:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Các đơn vị

Thể tích của khí có thể được biểu thị bằng lít hoặc bất kỳ đơn vị dẫn xuất nào của nó. Tương tự như vậy, thể tích có thể được biểu thị bằng mét khối hoặc bất kỳ đơn vị dẫn xuất nào. Nhiệt độ phải được biểu thị bằng nhiệt độ tuyệt đối hoặc nhiệt độ Kelvin.

Vì vậy, nếu nhiệt độ của một chất khí được biểu thị bằng độ C hoặc thang độ C, để thực hiện một phép tính với chúng, lượng 273,15ºC sẽ phải được thêm vào nhiệt độ, để đưa chúng đến nhiệt độ tuyệt đối hoặc kelvin.

Nếu nhiệt độ được biểu thị bằng độ F, thì cần phải thêm 459,67 ºR vào các nhiệt độ đó, để đưa chúng về nhiệt độ tuyệt đối trên thang Rankine.

Một công thức nổi tiếng khác của Định luật Charles, và liên quan trực tiếp đến tuyên bố của nó, là:

V _t = V _hoặc (1 + t / 273)

Trong đó V _t là thể tích của một chất khí ở một nhiệt độ nhất định, tính bằng lít, cm ³ , v.v.; và V _o là thể tích bị chiếm bởi một chất khí ở 0 ºC. Về phần mình, t là nhiệt độ tại đó thể tích được đo, tính bằng độ C. (ºC).

Và cuối cùng, 273 đại diện cho giá trị của độ không tuyệt đối trong thang nhiệt độ Kelvin.

Thí nghiệm chứng minh định luật

Gắn

Thiết lập thí nghiệm để chứng minh định luật Charles. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Trong một thùng chứa nước, hoàn thành chức năng của một nồi cách thủy, một hình trụ hở được đặt trên đỉnh của nó, với một pít tông lắp vào thành trong của hình trụ (hình trên).

Pít-tông này (cấu tạo bởi pít-tông và hai đế màu đen) có thể di chuyển về phía trên hoặc dưới của xi lanh tùy thuộc vào thể tích khí mà nó chứa.

Bể nước có thể được làm nóng bằng cách sử dụng một đầu đốt hoặc một cây gia nhiệt, cung cấp nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của bể và do đó nhiệt độ của xi lanh được trang bị một pít tông.

Một khối lượng xác định được đặt trên pít tông để đảm bảo rằng thí nghiệm được thực hiện ở áp suất không đổi. Nhiệt độ của bể và ống đong được đo bằng cách sử dụng nhiệt kế đặt trong nồi cách thủy.

Mặc dù xi lanh có thể không có vạch chia để hiển thị thể tích không khí, điều này có thể được ước tính bằng cách đo chiều cao đạt được của khối lượng đặt trên piston và bề mặt của đáy xi lanh.

Phát triển

Thể tích của một hình trụ nhận được bằng cách nhân diện tích bề mặt của đáy với chiều cao của nó. Bề mặt của đế hình trụ có thể nhận được bằng cách áp dụng công thức: S = Pi xr ² .

Trong khi chiều cao nhận được bằng cách đo khoảng cách từ chân trụ đến phần của pít-tông có khối lượng nằm trên đó.

Khi nhiệt độ của bồn tắm tăng lên bởi nhiệt do bật lửa tạo ra, pít tông được quan sát thấy tăng lên trong hình trụ. Sau đó, họ đọc trên nhiệt kế nhiệt độ trong nồi cách thủy, tương ứng với nhiệt độ bên trong hình trụ.

Họ cũng đo chiều cao của khối bên trên pit tông, có thể ước tính thể tích không khí tương ứng với nhiệt độ đo được. Bằng cách này, họ thực hiện một số phép đo nhiệt độ và ước tính thể tích không khí tương ứng với mỗi nhiệt độ.

Với điều này, cuối cùng có thể xác định rằng thể tích mà một chất khí chiếm tỷ lệ thuận với nhiệt độ của nó. Kết luận này cho phép đưa ra cái gọi là Luật Charles.

Khinh khí cầu với băng vào mùa đông

Ngoài thí nghiệm trước, có một thí nghiệm đơn giản hơn và chất lượng hơn: đó là khí cầu bằng băng vào mùa đông.

Nếu một quả bóng bay chứa đầy khí heli được đặt trong một căn phòng được sưởi ấm vào mùa đông, quả bóng bay sẽ có một thể tích nhất định; Nhưng, nếu sau đó nó được di chuyển ra ngoài nhà với nhiệt độ thấp, người ta sẽ quan sát thấy khí cầu heli co lại, giảm thể tích theo Định luật Charles.

Bài tập đã giải

Bài tập 1

Có một chất khí chiếm thể tích 750 cm ³ ở 25ºC: thể tích chất khí này chiếm 37ºC nếu áp suất được giữ không đổi sẽ là bao nhiêu?

Đầu tiên cần phải chuyển đổi các đơn vị nhiệt độ thành kelvin:

T _{1 tính} bằng độ Kelvin = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T _{2 tính} bằng độ Kelvin = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

Vì V ₁ và các biến khác đã biết nên V ₂ được giải và tính theo phương trình sau:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Bài tập 2

Nhiệt độ sẽ là bao nhiêu độ C mà 3 lít khí đó sẽ phải được đun nóng đến 32ºC, để thể tích của nó nở ra thành 3,2 lít?

Một lần nữa, độ C. được chuyển thành kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K

Và như trong bài tập trước, chúng ta giải cho T ₂ thay vì V ₂ , và nó được tính như sau:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Nhưng câu lệnh yêu cầu độ C., vì vậy đơn vị của T ₂ được thay đổi :

T ₂ độ C. = 325, 49 º C (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ºC

Bài tập 3

Nếu một chất khí ở 0ºC chiếm thể tích 50 cm ³ thì ở 45ºC nó sẽ chiếm thể tích bao nhiêu?

Sử dụng công thức ban đầu của định luật Charles:

V _t = V _hoặc (1 + t / 273)

Chúng ta tiến hành tính V _t trực tiếp khi có tất cả các biến:

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

= 58,24 cm ³

Mặt khác, nếu vấn đề được giải quyết bằng cách sử dụng chiến lược của ví dụ 1 và 2, chúng ta sẽ có:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Kết quả, áp dụng hai thủ tục là như nhau vì cuối cùng chúng đều dựa trên cùng một nguyên tắc của định luật Charles.

Các ứng dụng

Bóng bay chúc

Những quả bóng bay điều ước (đã được đề cập trong phần giới thiệu) được làm bằng vật liệu dệt tẩm chất lỏng dễ cháy.

Khi đốt cháy vật liệu này, nhiệt độ của không khí chứa trong khí cầu tăng lên, làm tăng thể tích của chất khí theo định luật Charles.

Do đó, khi thể tích của không khí trong quả bóng tăng lên, mật độ của không khí trong quả bóng bay giảm, trở nên nhỏ hơn khối lượng riêng của không khí xung quanh, và đó là lý do tại sao quả bóng bay lên.

Pop-Up hoặc nhiệt kế gà tây

Như tên của chúng đã chỉ ra, chúng được sử dụng trong quá trình nấu gà tây. Nhiệt kế có một hộp chứa đầy không khí được đậy bằng nắp và được hiệu chuẩn theo cách sao cho khi đạt đến nhiệt độ nấu tối ưu, nắp sẽ được nhấc lên bằng một âm thanh.

Nhiệt kế được đặt bên trong gà tây, và khi nhiệt độ bên trong lò tăng lên, không khí bên trong nhiệt kế nở ra, làm tăng thể tích của nó. Sau đó, khi thể tích của không khí đạt đến một giá trị nhất định, anh ta làm cho nắp của nhiệt kế nâng lên.

Phục hồi hình dạng của quả bóng bàn

Quả bóng bàn tùy theo yêu cầu sử dụng có khối lượng nặng nhẹ, thành nhựa mỏng. Điều này gây ra khi chúng bị va đập bởi vợt, chúng bị biến dạng.

Bằng cách đặt các quả bóng biến dạng trong nước nóng, không khí bên trong nóng lên và nở ra, dẫn đến tăng thể tích không khí. Điều này cũng làm cho thành của quả bóng bàn căng ra, giúp chúng trở lại hình dạng ban đầu.

Làm bánh mì

Men được kết hợp vào bột mì được sử dụng để làm bánh mì và có khả năng tạo ra khí carbon dioxide.

Khi nhiệt độ của ổ bánh tăng lên trong khi nướng, thể tích khí cacbonic tăng lên. Chính vì điều này mà bánh mì nở ra cho đến khi đạt được thể tích mong muốn.

Người giới thiệu

1. Clark J. (2013). Các định luật chất khí khác - Định luật Boyle và Định luật Charles. Được khôi phục từ: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Luật của Charles. Khôi phục từ: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Luật Charles. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (Ngày 27 tháng 12 năm 2018). Công thức cho Định luật Charles là gì? Phục hồi từ: thinkco.com
5. GS N. De Leon. (sf). Các định luật khí cơ bản: Định luật Charles. C 101 Ghi chú Lớp. Được khôi phục từ: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Luật Charles. Phục hồi từ: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Hóa lý cho các nhà sinh học. ( Ấn bản 2 ^da ). Editorial Reverté, SA