رابطه دما و حجم (قانون شارل)
طبق قانون شارل (Charles's Law)، اگر فشار یک نمونه گاز ثابت نگه داشته شود، حجم آن با دمای مطلق (کلوین) نسبت مستقیم دارد. این بدان معناست که با گرم شدن گاز، گاز منبسط میشود و حجم آن افزایش مییابد؛ و با سرد شدن، حجم آن کاهش مییابد (انقباض).
فرمول محاسبه V2
رابطه ریاضی قانون شارل به صورت V1/T1 = V2/T2 است. برای محاسبه حجم ثانویه، فرمول زیر استفاده میشود:
V2 = (V1 × T2) / T1
- V1حجم اولیه
- T1دمای اولیه (کلوین)
- T2دمای نهایی (کلوین)
مثالهای کاربردی
۱. بادکنک در یخچال
اگر یک بادکنک باد شده را از دمای اتاق (۲۵ درجه) به داخل یخچال (۴ درجه) ببرید، دمای گاز کاهش مییابد و حجم بادکنک کم میشود (چروکیده میشود).
۲. پخت نان
حبابهای دیاکسید کربن داخل خمیر نان در اثر حرارت فر منبسط میشوند (افزایش حجم گاز) و باعث پف کردن و اسفنجی شدن نان میشوند.
۳. موتور حرارتی
در موتورهای استرلینگ، گاز با گرم شدن منبسط میشود و پیستون را به جلو میراند، که اساس تبدیل انرژی گرمایی به مکانیکی است.
خطاهای متداول
- فراموش کردن کلوین: این مهمترین خطاست. هرگز دما را با درجه سلسیوس در فرمول نگذارید. ابتدا با فرمول K = °C + 273.15 تبدیل کنید.
- فرض فشار ثابت: این قانون فقط وقتی صحیح است که فشار ثابت باشد (مثلا پیستون آزاد یا بادکنک نرم). در یک مخزن صلب فلزی، با افزایش دما فشار زیاد میشود نه حجم.
- عدم همخوانی واحد حجم: واحد V2 دقیقا همان واحدی است که برای V1 وارد میکنید.
سوالات متداول
اگر دما دو برابر شود حجم چه میشود؟▼
اگر دمای مطلق (کلوین) را دو برابر کنید، حجم گاز نیز دقیقاً دو برابر میشود (در فشار ثابت).
آیا این قانون برای مایعات هم صادق است؟▼
خیر، قانون شارل مخصوص گازهای ایدهآل است. مایعات هم انبساط حرارتی دارند اما رفتارشان خطی و ساده مثل گازها نیست و ضریب انبساط بسیار کمتری دارند.
فرآیند ایزوباریک چیست؟▼
فرآیند ایزوباریک (Isobaric) همان فرآیندی است که در آن فشار سیستم در طول انجام فرآیند ثابت باقی میماند، که پیششرط قانون شارل است.