قانون شارل – به زبان ساده

قانون شارل که آن را با نام قانون حجم‌ها نیز می‌شناسند،‌ یک قانون آزمایشگاهی است که چگونگی انبساط گازها بر اثر گرما را بیان می‌کند. تعریف امروزی قانون شارل به صورت زیر است:

$$V \propto T$$

بنابراین خواهیم داشت:

$$\frac { V } { T } = k$$ یا $$V = k T$$

در رابطه بالا، $$T$$، دمای گاز بر اساس کلوین، $$V$$ حجم گاز و $$k$$ یک ثابت است. این قانون بیان می‌کند که چطور یک گاز با افزایش دما انبساط می‌یابد. به طور عکس،‌ کاهش دما موجب کاهش حجم نیز خواهد بود. برای مقایسه یک ماده در دو حالت مختلف، این قانون را می‌توان به شکل زیر بازنویسی کرد:

$$\frac { V _ { 1 } } { T _ { 1 } } = \frac { V _ { 2 } } { T _ { 2 } }$$ یا $$\frac { V _ { 2 } } { V _ { 1 } } = \frac { T _ { 2 } } { T _ { 1 } }$$ یا $$V _ { 1 } T _ { 2 } = V _ { 2 } T _ { 1 }$$

منشاء قانون شارل

آزمایش قانون شارل

بنابراین به کمک قانون شارل می‌توان توضیح داد که چرا هوای گرم، بالون را به طرف بالا می‌برد یا اینکه چطور نمونه‌ای از یک گاز را می‌توان به عنوان یک دماسنج در نظر گرفت.

نمودار حجم-دما در قانون شارل

یکبار دیگر نگاهی به قانون شارل بیاندازیم. این قانون را می‌توان به صورت زیر نشان داد:

$$V = k T$$

با دقت در رابطه بالا در می‌یابیم که این رابطه، یک معادله با شیب خط ثابت است. در نتیجه، با رسم نمودار $$V$$ در برابر $$T$$، یک خط راست با شیبی برابر $$k$$ خواهیم داشت.

مثال

بالونی را با حجم $$2.20 \ L$$  در دمای 22 درجه سانتیگراد پر کرده‌ایم. سپس بالون را تا 71 درجه سلسیوس گرم می‌کنیم. حجم نهایی بالون را محاسبه کنید.

حل

ابتدا داده‌های مساله فهرست می‌کنیم:

$$\begin{array} { l } { V _ { 1 } = 2.20 \mathrm { L } } \\ { T _ { 1 } = 22 ^ { \circ } \mathrm { C } = 295 \mathrm { K } } \\ { T _ { 2 } = 71 ^ { \circ } \mathrm { C } = 344 \mathrm { K } } \end{array}$$

مساله،‌ محاسبه حجم $$V_2$$ را از ما می‌خواهد. درنتیجه، با استفاده از قانون شارل و بازنویسی آن برای $$V _ 2$$ خواهیم داشت:

 $$V _ { 2 } = \frac { V _ { 1 } \times T _ { 2 } } { T _ { 1 } }$$

حال با جایگذاری مقادیر معلوم در رابطه،‌ حجم جدید بالون را محاسبه می‌کنیم:

$$V _ { 2 } = \frac { 2.20 \mathrm { L } \times 344 \mathrm { K } } { 295 \mathrm { K } } = 2.57 \mathrm { L }$$

شایان ذکر است که همواره بعد از حل این قبیل از سوالات، نتایج خود را دوباره بررسی کنید. در حقیقت، می‌دانیم که با گرم کردن بالون، حجم نهایی باید بیشتر از حجم اولیه باشد. جواب سوال نیز این گفته ما را تایید می‌کند.

رابطه قانون شارل با نظریه جنبشی گازها

نظریه جنبشی گازها، خواص ماکروسکوپی گازها همچون فشار و حجم را به خواص میکروسکوپی مولکول‌های سازنده گاز - بویژه جرم و سرعت مولکول‌ها - مرتبط می‌کند. برای بدست آوردن قانون شارل از طریق نظریه جنبشی گازها، باید تعریفی میکروسکوپی از دما داشته باشیم. این مورد را می‌توان به سادگی اینطور بیان کرد که دما با متوسط انرژی جنبشی مولکول‌های گاز متناسب است. در نتیجه خواهیم داشت:

$$T \propto \bar { E } _ { \mathrm { k } }$$

$$P V = \frac { 2 } { 3 } N \bar { E } _ { \mathrm { k } }$$

لازم به ذکر است که در معادله بالا، $$N$$، عددی ثابت و برابر با تعداد کل مولکول‌های گاز است.

کاربردهای قانون شارل

قانون شارل در زندگی روزمره ما کاربردهای زیادی دارد که به طور خلاصه در زیر به برخی از آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

فیلم آموزش سینتیک و طراحی‌ راکتورهای شیمیایی در فرادرس

کلیک کنید

بالون هلیومی

در یک بالون هلیومی یا حتی بادکنک معمولی، مشاهده می‌کنید که اگر بالون را در یک روز زمستانی، بیرون از منزل قرار دهید، به مرور از حجم بالون کاسته می‌شود. اما کافی است تا همان بالون یا بادکنک را دوباره به هوای گرم اتاق منتقل کنید، خواهید دید که حجم این بالون افزایش می‌یابد.

نانوایی

قانون شارل را در نانوایی‌ها نیز می‌توان مشاهده کرد. می‌دانید که برای تهیه نان، نیاز به خمیر‌مایه یا خمیر ترش دارید. خمیرمایه سبب آزاد شدن حباب‌های دی‌اکسید کربن می‌شود. این حباب‌های کربن با افزایش دما در تنور نانوایی، افزایش حجم پیدا می‌کنند. این افزایش حجم در اثر افزایش دما حجیم شدن نان را به همراه خواهد داشت.

بالون هوای گرم

قانون شارل به خوبی نحوه کار بالون هوای گرم را توصیف می‌کند. همانطور که می‌دانید، قانون شارل به تعریف رابطه بین دما و حجم می‌پردازد. زمانی که گاز، گرم می‌شود، حجم آن افزایش پیدا می‌کند. به هنگام انبساط گاز، چگالی آن کمتر می‌شود و بالون را به هوا بلند می‌کند.

اسپری خوشبو‌ کننده

اگر نگاهی به اسپری‌های خوشبو کننده بیاندازید، خواهید دید که در کنار آن‌ها نوشته شده است که به دور از نور آفتاب یا دمای زیاد نگهداری شود. دلیل این امر را حالا می‌توان یافت. در دماهای زیاد، مولکول‌های داخل قوطی منبسط و موجب تخریب محفظه قوطی خواهند شد.

تایر خودروها

به هنگام رانندگی، دمای لاستیک‌های خودرو افزایش پیدا می‌کند. در اثر این افزایش دما و بر اساس قانون شارل،‌ افزایش حجم لاستیک خواهیم داشت. به همین دلیل،‌ در فصول سرد و گرم، این تغییرات سبب تغییر حجم در باد لاستیک‌های خودرو می‌شود.

موتور اتومبیل

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش نظریه اتم ها در مولکول ها با نرم افزار محاسباتی AIM2000
• قانون بویل — به زبان ساده
• حجم مولی — به زبان ساده

^^