HUKUM CHARLES: RUMUS DAN UNIT, PERCOBAAN, LATIHAN - KIMIA - 2025

The Hukum Charles atau Guy-Lussac adalah salah satu yang memungkinkan pernyataan dari salah satu sifat dari keadaan gas: volume yang ditempati oleh gas berbanding lurus dengan suhu pada tekanan konstan.

Proporsionalitas ini linier untuk semua rentang suhu jika gas tersebut ideal; gas nyata, sebaliknya, menyimpang dari tren linier pada suhu mendekati titik embunnya. Namun, hal ini tidak membatasi penggunaan undang-undang ini untuk berbagai aplikasi yang melibatkan gas.

Lentera Cina atau balon harapan. Sumber: Pxhere.

Salah satu aplikasi klasik dari hukum Charles adalah pada balon udara. Balon sederhana lainnya, seperti balon harapan, juga disebut lentera Cina (gambar atas), mengungkapkan hubungan antara volume dan suhu gas pada tekanan konstan.

Mengapa pada tekanan konstan? Karena jika tekanan meningkat, itu berarti wadah tempat gas berada tertutup rapat; dan dengan ini, tumbukan atau dampak partikel gas terhadap dinding internal wadah tersebut akan meningkat (hukum Boyle-Mariotte).

Oleh karena itu, tidak akan ada perubahan volume yang ditempati oleh gas, dan hukum Charles akan kurang. Tidak seperti wadah kedap udara, kain balon keinginan mewakili penghalang bergerak, yang mampu mengembang atau menyusut tergantung pada tekanan yang diberikan oleh gas di dalamnya.

Namun, ketika jaringan balon mengembang, tekanan internal gas tetap konstan karena luas area tumbukan partikelnya meningkat. Semakin tinggi suhu gas, semakin tinggi energi kinetik partikel, dan juga jumlah tumbukannya.

Dan saat balon mengembang lagi, tumbukan dengan dinding dalamnya tetap (idealnya) konstan.

Jadi semakin panas gasnya, semakin besar ekspansi balon dan semakin tinggi kenaikannya. Hasilnya: lampu kemerahan (meskipun berbahaya) tergantung di langit pada malam bulan Desember.

Apa hukum Charles?

Pernyataan

Yang disebut Hukum Charles atau Hukum Gay-Lussac menjelaskan ketergantungan yang ada antara volume yang ditempati oleh gas dan nilai suhu absolutnya atau suhu Kelvin.

Hukum tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut: jika tekanan tetap konstan, dapat dipastikan bahwa “untuk suatu massa gas tertentu, ia meningkatkan volumenya sekitar 1/273 kali volumenya pada 0 ºC, untuk setiap derajat celcius ( 1 ºC) untuk meningkatkan suhunya ”.

Pekerjaan

Pekerjaan penelitian yang menetapkan hukum dimulai pada tahun 1780-an oleh Jacques Alexander Cesar Charles (1746-1823). Namun, Charles tidak mempublikasikan hasil penyelidikannya.

Kemudian, John Dalton pada tahun 1801 berhasil menentukan secara eksperimental bahwa semua gas dan uap, yang dipelajari olehnya, mengembang di antara dua suhu yang ditentukan dalam jumlah volume yang sama. Hasil ini dikonfirmasi oleh Gay-Lussac pada tahun 1802.

Penelitian Charles, Dalton dan Gay-Lussac, memungkinkan untuk menetapkan bahwa volume yang ditempati oleh gas dan suhu absolutnya berbanding lurus. Oleh karena itu, terdapat hubungan linier antara temperatur dan volume gas.

Grafik

Grafik T vs V untuk gas ideal. Sumber: Gabriel Bolívar.

Grafik (gambar atas) volume gas terhadap suhu menghasilkan garis lurus. Perpotongan garis dengan sumbu X, pada suhu 0ºC, memungkinkan diperolehnya volume gas pada 0ºC.

Demikian juga, perpotongan garis dengan sumbu X akan memberikan informasi tentang temperatur yang volume yang ditempati oleh gas akan menjadi nol "0". Dalton memperkirakan nilai ini pada -266 ° C, mendekati nilai yang disarankan Kelvin untuk nol absolut (0).

Kelvin mengusulkan skala suhu yang nolnya adalah suhu di mana gas sempurna akan memiliki volume nol. Tetapi pada suhu rendah ini gas-gas tersebut mencair.

Itulah mengapa tidak mungkin untuk membicarakan volume gas seperti itu, menemukan bahwa nilai nol mutlak harus -273,15 ºC.

Rumus dan satuan pengukuran

Rumus

Hukum Charles dalam versi modern menyatakan bahwa volume dan temperatur suatu gas berbanding lurus.

Begitu:

V / T = k

V = volume gas. T = Suhu Kelvin (K). k = konstanta proporsionalitas.

Untuk volume V ₁ dan suhu T ₁

k = V ₁ / T ₁

Demikian juga untuk volume V ₂ dan suhu T ₂

k = V ₂ / T ₂

Kemudian, samakan dua persamaan untuk k yang kita miliki

V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂

Rumus ini dapat ditulis sebagai berikut:

V ₁ T ₂ = V ₂ T ₁

Memecahkan V ₂ , rumusnya diperoleh:

V ₂ = V ₁ T ₂ / T ₁

Unit

Volume gas dapat dinyatakan dalam liter atau satuan turunannya. Demikian juga, volume dapat dinyatakan dalam meter kubik atau satuan turunan apa pun. Suhu harus dinyatakan dalam suhu absolut atau suhu Kelvin.

Jadi, jika suhu gas dinyatakan dalam derajat celcius atau skala Celcius, untuk melakukan kalkulasi dengan suhu tersebut, harus ditambahkan jumlah 273,15 ºC ke suhu, untuk membawanya ke suhu absolut atau kelvin.

Jika suhu dinyatakan dalam derajat Fahrenheit, maka perlu menambahkan 459,67 ºR ke suhu tersebut, untuk membawanya ke suhu absolut pada skala Rankine.

Rumus Hukum Charles lainnya yang terkenal, dan terkait langsung dengan pernyataannya, adalah sebagai berikut:

V _t = V _atau (1 + t / 273)

Di mana V _t adalah volume yang ditempati oleh gas pada suhu tertentu, dinyatakan dalam liter, cm ³ , dll.; dan V _o adalah volume yang ditempati oleh gas pada 0 ºC. Untuk bagiannya, t adalah suhu di mana volume diukur, dinyatakan dalam derajat celcius (ºC).

Dan akhirnya, 273 mewakili nilai nol mutlak pada skala suhu Kelvin.

Bereksperimenlah untuk membuktikan hukum

Pemasangan

Menyiapkan percobaan untuk mendemonstrasikan hukum Charles. Sumber: Gabriel Bolívar.

Dalam wadah berisi air yang berfungsi sebagai penangas air, ditempatkan silinder terbuka di atasnya, dengan plunger yang dipasang di dinding dalam silinder (gambar atas).

Piston ini (terdiri dari piston dan dua pangkalan hitam) dapat bergerak ke arah atas atau bawah silinder tergantung pada volume gas yang dikandungnya.

Penangas air dapat dipanaskan dengan menggunakan pembakar atau alat pemanas, yang memasok panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu penangas dan, oleh karena itu, suhu silinder yang dilengkapi dengan penyedot.

Massa yang ditentukan ditempatkan pada plunger untuk memastikan bahwa eksperimen dilakukan pada tekanan konstan. Temperatur bak dan silinder diukur dengan menggunakan termometer yang ditempatkan di bak air.

Meskipun silinder mungkin tidak memiliki kelulusan untuk menampilkan volume udara, hal ini dapat diperkirakan dengan mengukur ketinggian yang dicapai oleh massa yang ditempatkan pada piston dan permukaan alas silinder.

Pengembangan

Volume silinder diperoleh dengan mengalikan luas permukaan alasnya dengan tingginya. Permukaan alas silinder dapat diperoleh dengan menggunakan rumus: S = Pi xr ² .

Sedangkan ketinggian diperoleh dengan mengukur jarak dari alas silinder, ke bagian piston tempat massa bertumpu.

Karena suhu bak dinaikkan oleh panas yang dihasilkan oleh korek api, plunger diamati naik di dalam silinder. Kemudian, mereka membaca di termometer suhu di penangas air, yang sesuai dengan suhu di dalam silinder.

Mereka juga mengukur tinggi massa di atas plunger, mampu memperkirakan volume udara yang sesuai dengan suhu yang diukur. Dengan cara ini mereka melakukan beberapa pengukuran suhu dan perkiraan volume udara yang sesuai dengan suhu masing-masing.

Dengan ini, akhirnya dimungkinkan untuk menetapkan bahwa volume yang ditempati gas berbanding lurus dengan suhunya. Kesimpulan ini memungkinkan untuk mengucapkan apa yang disebut Hukum Charles.

Balon dengan es di musim dingin

Selain eksperimen sebelumnya, ada eksperimen yang lebih sederhana dan lebih kualitatif: eksperimen balon dengan es di musim dingin.

Jika balon berisi helium ditempatkan di ruangan berpemanas di musim dingin, balon itu akan memiliki volume tertentu; Namun, jika kemudian dipindahkan ke luar rumah dengan suhu rendah, maka akan diamati balon helium tersebut menyusut sehingga volumenya berkurang sesuai dengan Hukum Charles.

Latihan terselesaikan

Latihan 1

Ada gas yang menempati volume 750 cm ³ pada suhu 25 ºC: berapakah volume yang ditempati gas ini pada suhu 37 ºC jika tekanan dijaga konstan?

Pertama-tama perlu mengubah satuan suhu menjadi kelvin:

T ₁ dalam derajat Kelvin = 25 ºC + 273,15 ºC = 298,15 K

T ₂ dalam derajat Kelvin = 37 ºC + 273,15 ºC = 310,15 K

Karena V ₁ dan variabel lain diketahui, V ₂ diselesaikan dan dihitung dengan persamaan berikut:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 750 cm ³ (310,15 K / 298,15 K)

= 780,86 cm ³

Latihan 2

Berapa suhu dalam derajat celcius sehingga 3 liter gas harus dipanaskan sampai 32ºC, sehingga volumenya meningkat menjadi 3,2 liter?

Sekali lagi, derajat celcius diubah menjadi kelvin:

T ₁ = 32 ºC + 273,15 ºC = 305,15 K.

Dan seperti pada latihan sebelumnya, kita menyelesaikan T _2, bukan V ₂ , dan dihitung di bawah ini:

T ₂ = V ₂ · (T ₁ / V ₁ )

= 3,2 L · (305,15 K / 3 L)

= 325,49 K

Tetapi pernyataan tersebut meminta derajat celcius, jadi satuan T ₂ diubah :

T ₂ dalam derajat celcius = 325, 49 º C (K) - 273,15 ºC (K)

= 52,34 ºC

Latihan 3

Jika gas pada suhu 0ºC menempati volume sebesar 50 cm ³ , berapakah volume yang akan ditempati pada suhu 45ºC?

Menggunakan rumus asli hukum Charles:

V _t = V _atau (1 + t / 273)

Kami melanjutkan untuk menghitung V _t secara langsung ketika semua variabel tersedia:

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

= 58,24 cm ³

Di sisi lain, jika masalah diselesaikan menggunakan strategi contoh 1 dan 2, kita akan mendapatkan:

V ₂ = V ₁ · (T ₂ / T ₁ )

= 318 K · (50 cm ³ /273 K)

= 58,24 cm ³

Hasilnya, menerapkan kedua prosedur tersebut, sama karena pada akhirnya didasarkan pada prinsip hukum Charles yang sama.

Aplikasi

Berharap balon

Balon keinginan (telah disebutkan dalam pendahuluan) dilengkapi dengan bahan tekstil yang diresapi dengan cairan yang mudah terbakar.

Saat bahan ini dibakar maka terjadi peningkatan suhu udara yang terkandung di dalam balon yang menyebabkan bertambahnya volume gas menurut hukum Charles.

Oleh karena itu, dengan bertambahnya volume udara di dalam balon, maka massa jenis udara di dalam balon akan berkurang, yang menjadi lebih kecil daripada massa jenis udara di sekitarnya, dan itulah mengapa balon tersebut naik.

Termometer pop-up atau kalkun

Seperti namanya, mereka digunakan selama memasak kalkun. Termometer memiliki wadah berisi udara yang ditutup dengan penutup dan dikalibrasi sedemikian rupa sehingga setelah mencapai suhu memasak yang optimal, penutup tersebut diangkat dengan suara.

Termometer ditempatkan di dalam kalkun, dan saat suhu di dalam oven meningkat, udara di dalam termometer mengembang, meningkatkan volumenya. Kemudian ketika volume udara mencapai nilai tertentu, dia membuat tutup termometer terangkat.

Mengembalikan bentuk bola ping-pong

Bola ping-pong, tergantung pada persyaratan penggunaannya, ringan dan dinding plastiknya tipis. Hal ini menyebabkan ketika terkena raket mereka mengalami deformasi.

Dengan menempatkan bola cacat di air panas, udara di dalamnya memanas dan mengembang, menyebabkan peningkatan volume udara. Hal ini juga menyebabkan dinding bola ping-pong meregang, memungkinkannya kembali ke bentuk aslinya.

Pembuatan roti

Ragi dimasukkan ke dalam tepung terigu yang digunakan untuk membuat roti dan memiliki kemampuan untuk menghasilkan gas karbon dioksida.

Saat suhu roti meningkat selama dipanggang, volume karbon dioksida meningkat. Karena itulah roti mengembang hingga mencapai volume yang diinginkan.

Referensi

1. Clark J. (2013). Hukum gas lainnya - Hukum Boyle dan Hukum Charles. Diperoleh dari: chemguide.co.uk
2. Staroscik Andrew. (2018). Hukum Charles. Diperoleh dari: scienceprimer.com
3. Wikipedia. (2019). Hukum Charles. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Todd. (27 Desember 2018). Apa Rumus Hukum Charles? Diperoleh dari: thinkco.com
5. Prof. N. De Leon. (sf). Hukum Gas Dasar: Hukum Charles. C 101 Catatan Kelas. Diperoleh dari: iun.edu
6. Briceño Gabriela. (2018). Hukum Charles. Diperoleh dari: euston96.com
7. Morris, JG (1974). Fisikokimia untuk ahli biologi. ( Edisi 2 ^da ). Editorial Reverté, SA