ley de charles

La ley de Charles o la ley de los volúmenes es una ley de los gases ideales que establece que el volumen y la temperatura de una cantidad fija de gas son proporcionales a presión constante. Duplicar la temperatura de un gas duplica su volumen. Reducir a la mitad la temperatura de un gas reduce a la mitad su volumen. La ley toma su nombre del científico francés Jacques Charles, quien formuló la ley en la década de 1780.

La ley de Charles establece que aumentar la temperatura de un gas a presión constante aumenta su volumen.

Fórmula de la ley de Charles

Hay algunas formas de establecer la ley de Charles como fórmula:

V ∝ T
V / T = k
V = kT
1 / T 1 = V 2 / T 2
2 / V 1 = T 2 / T 1
1 T 2 = V 2 T 1

Aquí, T es la temperatura absoluta, V es el volumen y k es una constante distinta de cero. Tenga en cuenta que la temperatura absoluta significa que la temperatura en grados Celsius y Fahrenheit debe convertirse a Kelvin. El gráfico de volumen versus presión muestra la relación lineal. Además, la línea apunta hacia el origen, aunque un gas nunca podría alcanzarlo porque primero se convertiría en líquido o sólido.

ley de charles gif
Animación de las leyes de Charles y Gay-Lussac (Centro de Investigación Glenn de la NASA)

Ejemplos de la ley de Charles en la vida cotidiana

Es fácil encontrar ejemplos de la ley de Charles en la vida cotidiana.

  • Los globos aerostáticos vuelan según la ley de Charles. Calentar el aire en el globo aumenta el volumen del globo. Esto disminuye su densidad, por lo que el globo se eleva en el aire. Para bajar, enfriar el aire (no calentarlo) permite que el globo se desinfle. El gas se vuelve más denso y el globo se hunde.
  • Si saca un globo lleno al aire libre en un día caluroso, se expande (¡y puede explotar!). Si lo lleva al aire libre en un día de invierno, se desinfla pero vuelve a su volumen normal cuando lo vuelve a llevar al interior. Incluso puedes usar un globo como un termómetro pobre, usando la ley de Charles.

Ejemplo de cálculo de la ley de Charles

Ejemplo 1

Un gas ocupa 221 cm 3  a una temperatura de 0 ° C y una presión de 760 mm Hg. Encuentre su volumen a 100 ° C.

Primero, no se preocupe por la presión. El número no entra en el cálculo. Todo lo que importa es que es una constante.

Usa la ecuación:

1 / T 1 = V 2 / T 2

Convierta 0 ° C y 100 ° C a Kelvin:

1  = 221 cm 3 ; T 1  = 273 K (0 + 273); T 2  = 373.000 (100 + 273)

Reemplaza los valores en la ecuación y resuelve para V 2:

1 / T 1  = V 2 / T 2
221cm 3  / 273K = V  / 373K
  = (221 cm 3 ) (373K) / 273K
  = 302 cm 3

Ejemplo # 2

Encuentre la temperatura final de una muestra de nitrógeno gaseoso a presión constante si comienza a 27 ° C y cambia el volumen de 600 mL a 700 mL.

Primero convierta la temperatura a Kelvin.

1 = 273 + 27
1 = 300 K

Luego, ingrese los números.

1 / T 1  = V 2 / T 2
600 ml / 300 K = 700 ml / T 2
(T 2 ) (600 ml / 300 K) = 700 ml
2 = (700 ml) / (600 ml / 300 K )
2 = (700 ml) / (2 ml / K)
2 = 350 K

Por qué la temperatura debe estar en grados Kelvin

Los cálculos de la ley de Charles requieren temperatura en una escala absoluta, como la escala Kelvin. Entonces, usar la fórmula requiere convertir de Celsius o Fahrenheit a Kelvin. Hay dos razones para esto. Primero, las temperaturas negativas en las escalas Celsius y Fahrenheit podrían llevar a cálculos de volumen negativos imposibles. En segundo lugar, la energía no se escala correctamente utilizando escalas relativas. Entonces, un gas a 20 K tiene el doble de energía que un gas a 10 K, pero no ocurre lo mismo con un gas a 20 ° C en comparación con 10 ° C o 20 ° F en comparación con 10 ° F.

¿Qué sucede en el cero absoluto?

Al igual que las otras leyes de los gases ideales, la ley de Charles no se aplica en condiciones extremas. No tiene sentido en el cero absoluto. Primero, la materia no puede tener volumen cero. En segundo lugar, un gas a presión constante eventualmente se convierte en líquido o sólido a medida que desciende la temperatura.

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