Calculadora da Lei de Charles

A calculadora da lei de Charles da Omni é uma ferramenta simples que descreve os parâmetros básicos de um gás ideal em um processo isobárico. Neste artigo, você pode encontrar a resposta para a pergunta "O que é a lei de Charles?", aprender qual é a fórmula da lei de Charles e ler como resolver problemas termodinâmicos com alguns exemplos da lei de Charles.

Caso você precise calcular os resultados de um processo isocórico, consulte a calculadora da lei de Gay-Lussac da Omni.

A lei de Charles (também chamada de lei dos volumes) descreve a relação entre o volume de um gás e sua temperatura quando a pressão e a massa do gás são constantes. Ela afirma que o volume é proporcional à temperatura absoluta.

Há algumas outras maneiras de escrever a definição da lei de Charles, uma das quais é: a razão entre o volume e a temperatura do gás em um sistema fechado é constante, desde que a pressão permaneça inalterada.

A lei de Charles descreve o comportamento de um gás ideal (gases que podemos caracterizar pela lei dos gases ideias), durante um processo isobárico, o que significa que a pressão permanece constante durante a transição. Se quiser aprender mais sobre gases ideias, não deixe de acessar a calculadora da lei do gás ideal da Omni.

Com base em sua definição, podemos escrever a equação da lei de Charles da seguinte forma:

V₁ / T₁ = V₂ / T₂,

em que V₁ e T₁ são o volume e a temperatura iniciais, respectivamente. Da mesma forma, V₂ e T₂ são os valores finais desses parâmetros do gás.

Como funciona essa calculadora da lei de Charles? Primeiro, você precisa inserir três parâmetros, e o quarto será calculado automaticamente para você. Digamos que você queira encontrar o volume final, então, a fórmula da Lei de Charles resulta em:

V₂ = (V₁ × T₂) / T₁.

Se você preferir definir o volume final e quiser estimar a temperatura final (T₂), então, a equação da lei de Charles muda para:

T₂ = (T₁ × V₂) / V₁.

No modo avançado, você também pode definir a pressão e ver quantos mols de átomos ou moléculas existem em um recipiente.

Podemos usar a calculadora da lei de Charles para resolver alguns problemas de termodinâmica. Vamos ver como ela funciona:

1. Imagine que temos uma bola cheia de ar. Seu volume inicial é igual a 2 litros e ela está em uma praia onde a temperatura é de 35 °C. Em seguida, nós a levamos para uma sala com ar-condicionado com temperatura de 15 °C. Como o volume da bola se altera?

   • Em primeiro lugar, a fórmula da lei de Charles exige os valores absolutos das temperaturas, portanto, temos de convertê-los em Kelvin:

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

   • Em seguida, podemos aplicar a equação da lei de Charles na forma em que o volume final está sendo avaliado:

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

   Podemos ver que o volume diminui quando movemos a bola de um local mais quente para um local mais frio. Você pode experimentar esse efeito ao mudar de local ou simplesmente deixar um objeto sozinho durante uma mudança de tempo. A bola parece estar com a pressão baixa, e alguém pode pensar que há um furo, fazendo com que o ar vaze. Felizmente, isso é apenas física, portanto você não precisa comprar outra bola, basta inflá-la novamente, e se divertir!

   Uma pequena observação: o ar é um exemplo de um gás real, portanto, o resultado é apenas uma aproximação. Mas desde que evitemos condições extremas de pressão e temperatura, o resultado é suficientemente próximo do valor real.

2. No segundo problema, aquecemos um recipiente facilmente esticado. Ele está cheio de nitrogênio, que é uma boa aproximação de um gás ideal. Podemos descobrir que seu volume inicial é de 0,03 m³ à temperatura ambiente, 295 K. Em seguida, o colocamos próximo à fonte de aquecimento e o deixamos por algum tempo. Após alguns minutos, seu volume aumentou para 0,062 m³. Com todos esses dados, podemos estimar a temperatura do nosso aquecedor?

   • Vamos aplicar a fórmula da lei de Charles e reescrevê-la em uma forma que nos permita calcular a temperatura:

     T₂ = (T₁ × V₂)/ V₁
     = (295 K ⋅ 0,062 m³) / 0,03 m³
     = 609,7 K.

   • Podemos escrever o resultado na forma mais amigável T₂ = 336,55 °C.

   Esse é um ótimo exemplo que nos mostra que podemos usar esse tipo de dispositivo como um termômetro! Bem, não é um método muito prático e provavelmente não é tão preciso quanto aqueles mais comuns, mas ainda assim faz você pensar: que outras aplicações incomuns você pode obter de outros objetos do cotidiano?

Na verdade, há várias áreas em que podemos usar a lei de Charles. Aqui está uma lista de alguns dos exemplos mais populares e intrigantes:

• Voo de balão. Você já deve ter visto um balão no céu pelo menos uma vez na vida. Você já se perguntou como é possível que ele voe e por que eles são equipados com fogo ou outras fontes de aquecimento a bordo? A lei de Charles é a resposta! Sempre que o ar é aquecido, seu volume aumenta. Como resultado, a mesma quantidade (massa) de gás ocupa um espaço maior, o que significa que a densidade diminui. A flutuabilidade do ar circundante faz o resto do trabalho, de modo que o balão começa a flutuar.

  O controle de balão para que ele se movimente em uma determinada direção é uma história diferente, mas podemos explicar o conceito geral do movimento para cima e para baixo com a lei de Charles.

• Experimentos com nitrogênio líquido. Você já viu um experimento em que alguém coloca uma bola ou um balão num recipiente cheio de nitrogênio líquido e depois o leva para fora? Primeiro, ela encolhe, não importa o tamanho que tenha no início. Em seguida, após ser colocada fora do recipiente com nitrogênio, ela retorna à sua forma inicial. Mais uma vez, sempre que a temperatura muda, o volume também muda.

• Termômetro. Conforme mostrado na seção anterior, é possível construir um dispositivo que mede a temperatura com base na lei de Charles. Embora devemos estar cientes de suas limitações, que são basicamente a resistência do objeto sob tensão e sob altas temperaturas, podemos inventar um dispositivo original que funcione perfeitamente para atender às nossas necessidades. Sempre que você não tiver certeza do resultado, verifique esta calculadora da lei de Charles para encontrar a resposta.

A lei de Charles, a lei de Boyle e a lei de Gay-Lussac estão entre as leis fundamentais que descrevem a grande maioria dos processos termodinâmicos. Reunimos todas as transformações básicas dos gases ideais em nossa calculadora de lei combinada dos gases 🇺🇸, onde você pode avaliar não apenas a temperatura, a pressão ou o volume final, mas também a variação de energia interna ou o trabalho realizado pelo gás.