Calcolatore per la Legge di Charles

La legge di Charles è una semplice formula che descrive i parametri fondamentali di un gas ideale in un processo isobarico. Nel testo puoi trovare la risposta alla domanda "Che cos'è la legge di Charles?", imparare come si presenta la formula della legge di Charles e leggere come risolvere i problemi termodinamici con alcuni esempi di legge di Charles.

Se hai bisogno di calcolare i risultati per una trasformazione isocora, consulta il nostro calcolatore per la legge di Gay-Lussac 🇺🇸.

La legge di Charles (talvolta indicata come legge dei volumi) descrive la relazione tra il volume di un gas e la sua temperatura quando la pressione e la massa del gas restano costanti. Essa afferma che il volume è proporzionale alla temperatura assoluta.

Ci sono alcuni altri modi per scrivere la definizione della legge di Charles, uno dei quali è: il rapporto tra il volume e la temperatura del gas in un sistema chiuso è costante finché la pressione rimane invariata.

La legge di Charles descrive il comportamento di un gas ideale (gas che possiamo caratterizzare con l'equazione per la legge dei gas ideali) durante un processo isobarico, il che significa che la pressione resta costante durante la transizione.

Basandoci sulla definizione della legge di Charles, possiamo scrivere l'equazione della legge di Charles nel modo seguente:

V₁ / T₁ = V₂ / T₂,

dove V₁ e T₁ sono rispettivamente il volume e la temperatura iniziali. Allo stesso modo, V₂ e T₂ sono i valori finali di questi parametri del gas.

Come funziona questo calcolatore per la legge di Charles? Devi inserire tre parametri e il quarto viene calcolato automaticamente per te. Supponiamo di voler trovare il volume finale, allora la formula della legge di Charles dà come risultato:

V₂ = V₁ / T₁ × T₂.

Se preferisci impostare il volume finale e vuoi stimare la temperatura risultante, allora l'equazione della legge di Charles diventa:

T₂ = T₁ / V₁ × V₂.

Nell'ultimo gruppo di variabili, puoi anche definire la pressione e vedere quante moli di atomi o molecole ci sono in un contenitore.

Possiamo usare il calcolatore della legge di Charles per risolvere alcuni problemi di termodinamica. Vediamo come funziona:

1. Immaginiamo di avere una palla pieno d'aria. Il suo volume iniziale è pari a 2 litri e si trova su una spiaggia con una temperatura di 35 °C. Lo spostiamo in una stanza climatizzata con una temperatura di 15 °C. Come cambia il volume della palla?

   • Innanzitutto, la formula della legge di Charles richiede i valori assoluti delle temperature, quindi dobbiamo convertirli in Kelvin:

     T₁ = 35 °C = 308,15 K,
     T₂ = 15 °C = 288,15 K.

   • Quindi possiamo applicare l'equazione della legge di Charles nella forma in cui viene valutato il volume finale:

     V₂ = V₁ / T₁ × T₂
     = 2 l / 308,15 K × 288,15 K
     = 1,8702 l.

   Possiamo notare che il volume diminuisce quando spostiamo la palla da un luogo più caldo a uno più freddo. A volte puoi sperimentare questo effetto cambiando luogo o semplicemente lasciando un oggetto da solo quando il tempo cambia. Il pallone sembra sgonfio e qualcuno potrebbe pensare che ci sia un buco che fa fuoriuscire l'aria. Fortunatamente si tratta solo di fisica, quindi non dovrai comprare un altro pallone – gonfia quello che hai e divertiti!

   Una piccola osservazione– l'aria è un esempio di gas reale, quindi il risultato è solo un'approssimazione, ma se evitiamo condizioni estreme (di pressione e temperatura), il risultato è sufficientemente vicino al valore reale.

2. Nel secondo problema, riscaldiamo un contenitore facilmente espandibile. È riempito di azoto, che è approssima bene di un gas ideale. Possiamo scoprire che il suo volume iniziale è di 850 cm³ a temperatura ambiente, 295 K. Poi lo mettiamo vicino ad una fonte di calore e lo lasciamo per un po'. Dopo qualche minuto, il suo volume è aumentato a 1755 cm³. Con tutti questi dati, possiamo stimare la temperatura del nostro riscaldatore?

   • Applichiamo la formula della legge di Charles e riscriviamola in modo da poter calcolare la temperatura:

     T₂ = T₁ / V₁ × V₂
     = 295 K / 850 c³ × 1755 cm³
     = 609 K.

   • Possiamo scrivere il risultato in unità più comprensibili: T₂ = 335,9 °C o T₂ = 636,6 °F.

   Questo è un ottimo esempio che ci dimostra che possiamo usare questo tipo di dispositivo come termometro! Beh, non è un metodo molto pratico e probabilmente non è preciso come quelli comuni, ma ti fa comunque pensare a quali altre applicazioni insolite si possono ottenere da altri oggetti di uso quotidiano.

Ci sono diversi ambiti in cui possiamo utilizzare la legge di Charles. Ecco un elenco di alcuni degli esempi più popolari e interessanti:

• Volo in mongolfiera. Sicuramente avrai visto una mongolfiera in cielo almeno una volta nella vita. Ti sei mai chiesto come sia possibile che volino e perché siano dotati di fiamma o altre fonti di riscaldamento a bordo? La legge di Charles è la risposta! Ogni volta che l'aria viene riscaldata, il suo volume aumenta. Di conseguenza, la stessa quantità (massa) di gas occupa uno spazio maggiore, il che significa che la densità diminuisce. Il galleggiamento dell'aria circostante fa il resto del lavoro e la mongolfiera inizia a galleggiare.

  Controllare la direzione del pallone è una questione diversa, ma possiamo spiegare il concetto generale del movimento verso l'alto e verso il basso con la legge di Charles.

• Esperimenti con l'azoto liquido. Hai mai visto un esperimento in cui qualcuno mette una palla o un palloncino all'interno di un contenitore riempito di azoto liquido e poi lo sposta all'esterno? In primo luogo, il pallone si restringe, indipendentemente dalle dimensioni iniziali. Poi, dopo essere stato liberato, ritorna allo stato iniziale. Ancora una volta, quando la temperatura cambia, cambia anche il volume.

• Termometro. Come mostrato nella sezione precedente, è possibile costruire un dispositivo che misura la temperatura basandosi sulla legge di Charles. Anche se dobbiamo essere consapevoli dei suoi limiti e di quelli del dispositivo (fondamentalmente il carico di rottura e la resistenza alle alte temperature dell'oggetto), possiamo inventare un interessante strumento che funziona perfettamente in base alle nostre esigenze. Se non sei sicuro del risultato, consulta questo calcolatore per la legge di Charles per trovare la risposta.

La legge di Charles, la legge di Boyle e la legge di Gay-Lussac sono tra le leggi fondamentali che descrivono la maggior parte dei processi termodinamici. Abbiamo raccolto tutte le transizioni fondamentali dei gas nel nostro calcolatore per le leggi dei gas 🇺🇸, dove potrai valutare non solo la temperatura, la pressione o il volume finali, ma anche la variazione di energia interna o il lavoro svolto dal gas.