Cómo demostrar la ley de Charles

Coescrito por Bess Ruff, MA

La ley de Charles establece que el volumen de un gas ideal cambia en forma proporcional a la temperatura de ese gas, siempre y cuando se mantenga constante la presión y la cantidad de gas presente. La ecuación de la ley de Charles se puede expresar de la forma V₁/T₁=V₂/T₂. En otras palabras, si llenas un globo con aire, se encogerá (su volumen decrecerá) si lo enfrías y se expandirá (ocupará más volumen) si lo calientas. Esto se debe a que el aire que está dentro del globo, que es un gas, ocupa un menor volumen cuando está frío y un mayor volumen cuando está caliente.

Método 1

Método 1 de 3:
Demostrar la ley de Charles con un globo inflado

1
Agrega agua caliente en un vaso de precipitado u otro recipiente similar. Debes dejar lugar para poner también un globo en el recipiente. Por lo general, con 100 ml de agua en un vaso de 1000 ml (1 L) es suficiente. Ten cuidado de no salpicar agua caliente, porque podrías lastimarte o lastimar a otra persona.^{[1]
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2
Llena un globo con aire. Sopla el globo con la boca o usa una bomba de aire para llenarlo. No llenes demasiado el globo: debes dejar espacio para que el gas que está dentro de él se expanda. Es mejor usar un globo de fiestas que un globo de agua. Este tipo de globo corre menos riesgo de explotar.^{[2]
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Fuente de investigación} Si vas a poner el globo en el recipiente, ten cuidado de no inflarlo tanto que después no quepe por la abertura del recipiente.
3
Coloca una cuerda alrededor de la parte más ancha del globo. Rodeando el globo con una cuerda, puedes obtener una medida exacta de qué tan grande es el globo al comienzo. Marca o corta la cuerda en la parte más ancha del globo. Luego quítala del globo y mídela con una regla. Esa medida es la circunferencia original del globo. Más tarde, cuando el aire se caliente, podrás compararla con el tamaño del globo.^{[3]
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Fuente de investigación}
4
Coloca el globo en el recipiente. Esto te permitirá calentar el agua para transferir el aire caliente hacia el interior del globo. Si el globo no cabe en el recipiente, otra opción es colocarlo arriba del recipiente. La transferencia de calor será menos eficiente, pero igualmente producirá el mismo efecto en el globo.
5
Observa cómo va creciendo el globo. El aumento de temperatura forzará al aire a aumentar su tamaño y por lo tanto el globo se terminará expandiendo. Se verá como si el globo estuviera creciendo o inflándose más dentro del recipiente. Utiliza otra cuerda para medir la circunferencia del globo al calentarlo. Ahora, puedes comparar esa medida con la medida original del globo.
- No dejes que el globo se expanda demasiado porque podría explotar.
6
Introduce el globo en el congelador. Ahora que calentaste el globo y se expandió, verás que al alejarlo del calor se desinflará. Para poder observar este efecto, tendrás que quitar el globo de la fuente de calor (el recipiente de agua hirviendo) y llevarlo a un entorno frío. Debes dejar el globo en el congelador durante al menos un par de horas antes de quitarlo.^{[4]
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Fuente de investigación}
7
Observa el tamaño del globo. Cuando quites el globo del congelador, mide inmediatamente la circunferencia con otro pedazo más de cuerda. De esta forma, podrás compararlo con las primeras dos medidas. No solo será más pequeño que cuando estaba en el recipiente caliente, sino que será más pequeño que cuando apenas lo inflaste. Esto se debe a que quitaste el calor del gas que estaba dentro del globo, lo cual provocó que el gas (y en consecuencia, también el globo) redujera su volumen.^{[5]
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Método 2

Método 2 de 3:
Demostrar la ley de Charles expandiendo y contrayendo un globo

1
Coloca una pequeña cantidad de agua en un matraz de Erlenmeyer. No es necesario que llenes el matraz. Mientras menos agua agregues, más rápido hervirá el agua. Sin embargo, asegúrate de agregar suficiente agua como para que tampoco hierva demasiado rápido y se termine evaporando. Unos 75 ml serán suficientes.
2
Coloca el matraz sobre una placa caliente o sobre un quemador. Esta será la fuente de calor con la cual vas a calentar el agua. Asegúrate de calentarla hasta el punto de ebullición. Esto hará que el aire se expanda hacia la parte superior del matraz y también generará el vapor de agua con el cual vas a llenar el globo.^{[6]
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3
Coloca el extremo abierto de un globo sobre la boca del matraz. Recuerda que el matraz estará calentándose. Es mejor que uses guantes para evitar quemarte las manos mientas colocas el globo sobre la boca del matraz. Asegúrate de bajar el globo por el cuello del matraz lo suficiente como para que el globo no se desprenda con facilidad.^{[7]
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- Puede ser más fácil y seguro poner el globo en el matraz antes de calentar el agua.
4
Observa cómo se expande el globo. Si aseguras el globo sobre la parte superior del matraz, quedará sellado y solo permitirás que el aire se expanda dentro del globo. Esta expansión de aire dentro del globo hará que el globo también se expanda. ¡No dejes que el globo crezca tanto que termine estallando!^{[8]
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Fuente de investigación}
5
Ahora mueve el matraz a un recipiente con hielo. Toma un recipiente y coloca agua y hielo dentro de él. Esta es la forma más fácil y rápida de enfriar el contenido del matraz. Usa guantes para mover el matraz desde la fuente de calor hacia el recipiente con hielo.^{[9]
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Fuente de investigación}
6
Observa el efecto de succión que se produce en el globo. El rápido enfriamiento del matraz y del globo harán que disminuya el volumen del gas. A medida que el volumen del gas vaya disminuyendo, el volumen del globo también lo hará, y por lo tanto terminará encogiéndose. A medida que el gas se enfríe aún más y se contraiga aún más, el volumen del gas se reducirá tanto que la presión que existe fuera del globo hará que el matraz succione el globo hacia dentro por completo.^{[10]
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Método 3

Método 3 de 3:
Demostrar la ley de Charles matemáticamente

1
Ten en cuenta las propiedades del gas ideal que entran en juego en este proceso. Jacques Charles demostró (y también lo hizo más tarde Joseph Gay-Lussac) que la temperatura de un gas está directamente relacionada con su volumen cuando la presión y la masa del gas se mantienen constantes. Esto significa que, para un gas dado, el volumen del gas dividido por la temperatura de ese gas da como resultado el mismo número para cualquier combinación de volumen y temperatura.^{[11]
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2
Asegúrate de usar las unidades correctas. El volumen debe medirse en litros. La temperatura debe medirse en Kelvin. Si los valores están expresados en distintas unidades, usa las propiedades de análisis dimensional para convertirlas a las unidades correspondientes antes de continuar. De lo contrario, los cálculos que hagas serán incorrectos.^{[12]
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3
Utiliza la constante k para construir la ecuación. El volumen inicial del gas (V₁) dividido por la temperatura inicial del gas (T₁) es igual a una constante, k. Si el volumen o la temperatura de ese gas cambia, ambos valores cambiarán de modo que el nuevo volumen (V₂) dividido por la nueva temperatura (V₂) seguirá siendo igual a la misma constante k. Como V₁/T₁=k y V₂/T₂=k, entonces V₁/T₁=V₂/T₂.^{[13]
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4
Resuelve la ecuación para hallar la variable desconocida. Cuando te den un problema para que lo resuelvas, te proporcionarán alguna de las medidas y te pedirán que calcules la variable desconocida de la ecuación. Examina el problema para ver cuáles son los valores dados y reemplázalos en la parte correspondiente de la ecuación. Una vez que tengas todos los valores conocidos en la ecuación, simplemente reordénala para dejar la variable desconocida sola y luego resuélvela aplicando operaciones aritméticas. De esa forma, habrás usado la ley de Charles para resolver el problema.^{[14]
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Consejos

Intenta calentar un globo frío con agua caliente del grifo y observa si se expande.
Usa globos de fiestas en vez de globos de agua. Los globos de agua están diseñados para explotar con mayor facilidad.
En vez de un globo, puedes usar un corcho y una jeringa en la parte superior del matraz. A medida que el aire se expanda o se contraiga, el émbolo de la jeringa se desplazará hacia arriba o hacia abajo. Este es un buen método para usarlo en el laboratorio, ya que permite medir el cambio en el volumen con mayor exactitud.
En vez de usar una cuerda para medir la circunferencia del globo, puedes usar una cinta métrica.
Ten en cuenta que, si usas el método "Demostrar la ley de Charles expandiendo y contrayendo un globo", será difícil medir la circunferencia del globo. Este método sirve como una demostración meramente visual.

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Advertencias

Ten cuidado de no dejar que el globo se expanda demasiado, sino podría hacerlo estallar.
Si vas a usar agua hirviendo, debes tener mucho cuidado, porque podrías quemarte fácilmente.

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