Legea lui Gay-Lussac(Legea transformarii izobare)

Presiunea p=constanta ; Masa m=constanta

Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) a fost un chimist si fizician francez cunoscut datorita studiilor lui asupra proprietatilor fizice ale gazelor. El s-a nascut in St. Leonard si si-a facut studiile la Politehnica École si la École des Ponts et Chaussées in Paris. Dupa ce a devenit expert in mai multe domenii el devine profesor de fizica la Sorbonne din 1808 pana in 1832. u6c21cbIn 1804 face ascensiuni cu balonul pentru a studia fortele magnetice si pentru a observa compozitia si temperatura aerului la altitudini diferite. In 1809 el formuleaza legea gazelor care mai este asociata cu numele lui. Conform legii combinarii volumelor, volumele gazelor implicate intr-o reactie chimica, atat a reactantilor cat si a produsilor de reactie sunt in raport de numere mici si intregi. In 1809 Gay-Lussac a lucrat la prepararea potasiului si a borului si a studiat proprietatile clorinei si acidului hidrocianic. In domeniul chimiei industriale el a adus imbunatatiri in diferite procese de fabricare si testare.Pe langa acestea el el a confirmat prezenta iodului in alge si i-a dat acestuia numele.

Legealui Gay-Lussac stabileste o dependentaintrevolumulunuigazsi temperature cindpresiunea se mentineconstanta. Unproces la care participa un sistemdat (m=ct.) sub presiuneconstanta se numesteprocesizobar.

Experiment: Transformarea izobara a unei mase de gaz (aer, de exemplu) se poaterealiza in dispozitivul de maijos.

Aerul de studiat se afla in balonul de sticla care se prelungeste cu un tub subtire de sticla B. In tub se afla o coloana de mercur care separa aerul din tub si balon de aerul inconjurator. Deoarecetubul B este orizontal, presiunea aerului din dispozitiv ramane constanta, egala

cu presiunea atmosferica. Temperatura gazului se mai poate modifica incalzind apa din vasul C la un bec de gaz. Temperatura se masoara cu ajutorul termometrului. Variatia volumului, la incalzirea izobara, este pusa in evidenta de deplasarea coloanei de mercur in tubul B, iar valoarea volumului la o

temperatura data se citeste pe scara gradata de pe tubul B. La inceput, in vasul C se introduce un amestec de apa cu gheata. Gazul din balon va avea temperatura t0=0oC, iar volumul il citim si il notam cu V0. Se incalzeste apoi vasul C, iar temperatura va deveni t. Noua pozitie a coloanei de mercur indica valoarea V a volumului. Alegind diferite valori pentru t si reprezentand grafic rezultatele (V in functie de t) se verifica legea stabilita de Gay-Lussac:

Variatia relativa a volumului unui gaz, aflat la presiune constanta, este direct proportionala cu temperatura.

Cantitativ, legea se scrie:

Coeficientul de proportionalitate α se numeste coeficient de dilatare izobara. El caracterizeaza dependenta volumului gazului de temperatura. Coeficientul de dilatare α este egal cu variatia relativa a volumului gazului cind acesta este incalzit cu 1oC. Dupa cum rezulta din masuratori α are aceasi

valoare pentru toate gazele: , deci este

independentade natura gazului.Ecuatia poate fi scrisa si astfel: V=V0(1+αt) si arata ca: volumul unui gaz,

aflat la presiune constanta, creste liniar cu temperatura.

Observam ca prelungind izobarele, ele intersecteaza axa temperaturii la -273,15oC. Corespunazator acestei temperaturi, volumul gazului ar deveni 0. Acest punct constituie limita de jos a temperaturii posibile(cea mai mica temperatura cunsocuta in Univers),unde agitatia terminca a moleculelor inceteaza si totul ingheata. Ea a fost folosita pentru prima data de Kelvin ca punct de reper termometric pentru o scara de temperatura absoulta(scara Kelvin).

Utilizand scara Kelvin, legea lui Gay-Lussac devine mai simpla:

La presiune constanta raportul dintre volumul si

temperatura unui gaz raman constante.

Experiment de laborator

Legea transformarii izobare a fost simulata experimental virtual, folosind un soft special conceput pentru aceasta. Simularea virtuala a experimentelor prezinta unele avantaje printre care: timp de lucru scurt, nu necesita aparatura complicata de laborator, rezultatele determinarilor sunt disponibile in cateva secunde, cu erori foarte mici, este interactiv si riscurile folosirii sunt zero in comparatie cu instalatie complicata de laborator.

Principiul experimentului consta in incalzirea unui volum de gaz intr-un tub inchis la unul dintre capete cu un piston mobil (care asigura presiunea constanta in tub). Tubul este conectat la instrumente de masura, manometru si termometru. In program se introduc valorile parametrilor, si anume, masa de gaz (1), masa molara a gazului luat in lucru (2) si presiunea de lucru care se doreste sa se mentina constanta (3). Cu ajutorul sagetilor (4) se apropie sau se departeaza tubul de varful flacarii becului de gaz. Temperatura atinsa in tub apare pe ecran (5), de asemenea si volumul (6). Se observa ca indicatorul de presiune din tub (7) indica pastrarea temperaturii constante pe roata durata experimentului. In cazul experimentuli efectuat am ales folosirea a 0.2g gaz cu masa molara de 2 g/mol (hidrogen – H2) si am setat presiunea constanta de 10 Pa.

1

2

3

6

5

7

4

Datele obtinute in urma experimentului se trec in tabele si se traseaza grafice e baza acestora, folosind MS Excel 2003.

V (cm3) 26,59 31,57 34,9 39,88 43,21 48,19 51,52 56,5T (K) 320 380 420 480 520 580 620 680

Temperatura a fost transformata din grade Kelvin (K) in grade Celsius (oC), dupa formula:

Rezultatele calculelor au fost trecute in urmatorul tabel:

V (cm3) 26,59 31,57 34,9 39,88 43,21 48,19 51,52 56,5t (oC) 47 107 147 207 247 307 347 407

S-au trasat graficele urmatoare, dupa cum urmeaza:

-

0

10

20

30

40

50

60

320 380 420 480 520 580 620 680

T (K)

V (c

m3)

-

0

10

20

30

40

50

60

47 107 147 207 247 307 347 407

t (C)

V (c

m3)

-

0

20

40

60

80

100

120

320 380 420 480 520 580 620 680

T (K)

P (P

a)

-

0

20

40

60

80

100

120

26,59 31,57 34,9 39,88 43,21 48,19 51,52 56,5

V (cm3)

P (P

a)

Probleme:

1.Un balon deschis de volum V = 0.80 L a fost incalzit pana la t1 = 127oC, apoi cufundat cu gatul in apa si racit la t2 = 270oC. Ce volum de apa intra in balon?

2.Un gaz este incalzit izobar de la t1 = 17oC la t2

= 162oC. Cu cat la suta creste volumul gazului?

3.Pentru ciclul din figura se dau T1 = 300 K, T2 = 400 K, T3 = 500 K. Aflati T4

p

0

2 3

41

V

4.Un volum ocupat de un gazeste V1 = 20* 10-3m3. Gazulesteracitizobar la temperature T2 = 100K, iar volumul sau devine V2 = 5*10-3m3. Sa se afle temperature T1 a gazului.

5.Un gaz ocupa volumul V1 = 0,25*10-3m3 la temperature T1 = 300 K. Ce volum V va ocupa gazul daca temperatura:

o Creste la T2 = 324K;o Scade la T3 = 270K. Presiunea ramane constanta.

Analog:

V

Bibliografie: Fizica MANUAL PENTRU CLASA A X-a

autori: N. Gherbanovschi, D.Borsan, A. Costescu, M. Petrescu-Prahova, M. Sandu www.preferatele.com Laborator virtual Probleme de termodinamica, fizica moleculara si caldura

Anatolie Hristev Probleme de fizica pentru clasele IX-X

A. Hristev, D. Mandu, L. Georgescu, D. Borsan, M. Sandu, N. Gherbanovschi