La ley de Charles o ecuación de Charles o describe la relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión y el número de moles son constantes (es decir en procesos isobáricos y de masa constante).
Tabla de contenidos
Fórmula general
Explicación
Jacques Charles descubrió que al aumentar la temperatura de un gas el volumen también aumentaba de forma proporcional, es decir se cumple la relación
Al aumentar la temperatura, la energía cinética de las moléculas aumenta y por lo tanto obtienen mayor velocidad para moverse, esto conlleva a que el volumen que ocupan sea mayor, siempre se cumple esa proporcionalidad.
Es decir que a mayor temperatura, mayor volumen y en caso de enfriamientos a menor temperatura, menor volumen.
NOTA: La ecuación de la ley de Charles NO funciona con temperaturas relativas (Celsius o Fahrenheit) la temperatura DEBE estar en escalas absolutas (Kelvin)
Gráfica ley de Charles
Para visualizar la ley los resultados del volumen y la temperatura se grafican y de este modo se puede evidenciar la relación entre esas variables.
En la gráfica se puede observar un comportamiento líneal que tiene el volumen de un gas cuando es sometido a cambios de temperatura.
De acuerdo con el enunciado de Charles a mayor temperatura, mayor volumen, y, así mismo, a menor temperatura, menor volumen.
Experimentos ley de Charles
En el año 1787 Jacques Charles publicó su descubrimiento en el cual demostró la relación que existia entre el volumen de un gas y su temperatura, para ello utilizando pistones en los que el aire no podía salir sometió a altas temperaturas dichos gases, a medida que el aire se calienta, aumenta el volumen y el pistón sale así mismo una vez enfría el gas el pistón regresa.
Aplicaciones ley de Charles
Hoy en día son muchas las aplicaciones en las que se puede evidenciar la ley de Charles, entre otras se encuentran:
- Temperatura de almacenamiento de gases confinados para evitar explosiones.
- Inflar globos aerostáticos con llama con el fin de aumentar el volumen.
- Temperatura de combustión en motores para calcular la expansión de los émbolos.
- Modelos de dispersión de contaminantes en el aire.
- Modelos de dispersión de gases venenosos en situaciones de riesgo.
- Cambios de volumen en un globo que se guarda en una nevera o se pone al vapor de agua en la cocina (Ley de Charles para niños)
- Extracción de sustancias aromáticas con gases, entre otras.
Ejemplos resueltos Ley de Charles
Los ejercicios más comunes de Charles son cuatro, el primero donde se pide calcular el volumen final de un gas luego de cambiar la temperatura
El segundo donde se pide calcular la temperatura final del gas cuando se aumenta o se disminuye el volumen.
En el tercero lo que se pide es calcular la temperatura inicial de un gas y en el cuarto se pide despejar el volumen inicial.
Sabemos que son varios tipos de ejercicios pero tranquilo, aquí te presentamos la respuesta para cada uno de ellos.
Primer tipo de ejercicios: Cálculo de volumen final
En este tipo de ejercicios la pregunta que se realiza es ¿Cuál es el volumen final del gas después de un cambio de temperatura?, tranquilo aquí te mostraremos cómo resolverlos.
Ejercicio
Un gas ocupa un volumen de 10 metros cúbicos a una temperatura de 25°C ¿Qué volumen ocupará si se calienta hasta los 100°C?
Solución:
Lo primero que se debe hacer es despejar el volumen final de la ecuación de la ley de Charles.
Antes de reemplazar valores recordemos que la ecuación de Charles no permite el uso de temperatura en grados Celsius por lo que debemos cambiar las unidades a Kelvin, así:
Del mismo modo se cambia la temperatura de 100°C
Ahora sí, teniendo las temperaturas en Kelvin se reemplaza en la ecuación del volumen final de acuerdo con la ley de Boyle
El volumen ocupará un volumen de 12,51 metros cúbicos cuando la temperatura es 100°C.
Segundo tipo de ejercicios: Cálculo de temperatura final
En este tipo de ejercicios la pregunta que se realiza es ¿Cuál es la temperatura final del gas después de un cambio de volumen? a continuación te mostramos un ejemplo.
Ejercicio
Un gas ocupaba un volumen de 50 litros a una temperatura de 300 K, después de un proceso de calentamiento el volumen final es de 75 litros ¿Cuál es la temperatura necesaria para lograr esta expansión del gas? Por favor dar la respuesta en Kelvin.
Solución
Se utiliza la ecuación Charles para solucionar el problema
Teniendo en cuenta esta relación se despeja la incógnita que nos interesa que es la temperatura final, es decir T2, de este modo la ecuación queda,
Ahora se reemplazan los valores obteniendo
La temperatura a la cual se debe llevar el gas para lograr la expansión hasta 75 litros es 450 Kelvin
Tercer tipo de ejercicios: Cálculo de temperatura inicial
En este tipo de ejercicios la pregunta que se realiza es ¿Cuál es la temperatura inicial de un gas el cual sufrió un cambio de volumen? a continuación te mostramos un ejemplo.
Ejercicio
Un gas se encuentra a una temperatura desconocida ocupando un volumen de 400 litros, a través de un proceso de enfriamiento se lleva hasta una temperatura de -100°C , a esta temperatura el gas ocupa un volumen de 250 litros ¿A qué temperatura se encontraba inicialmente el gas? reporte la respuesta en °C.
Solución
Se utiliza la ley de Charles para solucionar el problema
Se despeja la temperatura inicial, T1, que es la variable que nos están preguntando
Antes de reemplazar los valores debemos recordar que no se puede utilizar la temperatura en grados Celsius dentro de la ecuación de Charles por lo que debemos cambiar esta temperatura a Kelvin
Una vez se tiene la temperatura en Kelvin se procede a reemplazar los valores en la ecuación
Tenemos la temperatura inicial en Kelvin sin embargo el ejercicio solicita que se reporte el resultado en grados Celsius por lo que se hace la conversión
El gas se encontraba a 3,89 °C antes de ser enfriado.
Cuarto tipo de ejercicios: Cálculo de volumen inicial
En este tipo de ejercicios la pregunta que se realiza es ¿Cuál es el volumen inicial de un gas el cual sufrió un cambio de temperatura? ahora el ejemplo.
Problema
Un gas ocupa un volumen desconocido cuando está a 500 Kelvin, una vez se enfría hasta 200 Kelvin el gas ocupa 1500 litros ¿Cuál era su volumen inicial?
Solución
Se utiliza la ecuación
Se despeja la variable que necesitamos, en este ejercicio el volumen inicial, de este modo la ecuación de la ley de Charles queda
Se reemplazan los valores obteniendo
Ejercicios ley de Charles
Calculadora ecuación de Charles
Para utilizar la calculadora selecciona por favor cuál de las variables deseas despejar, recuerda que por defecto si quieres calcular una temperatura la respuesta estará dada en Kelvin, si es un volumen las unidades corresponden a las que el usuario defina.
Calculadora de la Ley de Charles
¿Cómo referenciarnos?
Munévar, R. (S.F) Ley de Charles. ecuacionde.com. Recuperado el día (fecha en la que nos consultas) de https://ecuacionde.com/charles
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buenas noches tengo una duda en un ejercicio el cual dice así ; si un gas tiene un volumen de 100 litros a 273 grados kelvin . cual sera el volumen a 80 grados centigrados si la presión es constante
Hola Rafael, gracias por comentar en ecuacionde.com, en el ejercicio debes identificar que tienes el volumen inicial V1 (100 litros), la temperatura inicial T1 (273 Kelvin) y la temperatura final T2 (80°C que debes pasar a Kelvin porque nunca se trabaja con °C entonces es 80+273.15=353.15 K) a partir de esa información planteas la ecuación de la ley de Charles V1/T1 = V2/T2 despejas el volumen 2 dándote V2 = V1T2/T1 reemplazas los valores y tienes V2 = (100 litros x 353,15 K)/(273K) el resultado final es que el volumen V2 será 129.36 litros. Esperamos poder haberte ayudado en tus inquietudes, no dudes en recomendar nuestra página con tus conocidos.