Calculadora de la ley de Charles

La calculadora de la ley de Charles es una herramienta sencilla que describe los parámetros básicos de un gas ideal en un proceso isobárico. En el texto a continuación, podrás encontrar la respuesta a la pregunta “¿Qué es la ley de Charles?”, aprender cómo es la fórmula de la ley de Charles y leer cómo resolver problemas termodinámicos con algunos ejemplos de la ley de Charles.

Si necesitas calcular los resultados de un proceso isocórico, consulta nuestra calculadora de la ley de Gay-Lussac.

La ley de Charles (a veces llamada ley de los volúmenes) describe la relación entre el volumen de un gas y su temperatura cuando la presión y la masa del gas son constantes. Afirma que el volumen es proporcional a la temperatura absoluta.

Hay otras formas de escribir la definición de la ley de Charles, una de las cuales es: el cociente entre el volumen y la temperatura del gas en un sistema cerrado es constante mientras la presión no cambie.

La ley de Charles describe el comportamiento de un gas ideal (gases que podemos caracterizar mediante la ecuación de la ley de los gases ideales) durante un proceso isobárico, lo que significa que la presión permanece constante durante la transición.

Basándonos en la definición de la ley de Charles, podemos escribir la ecuación de la ley de Charles de la siguiente manera:

V₁/T₁ = V₂/T₂,

donde V₁ y T₁ son el volumen y la temperatura iniciales, respectivamente. Del mismo modo, V₂ y T₂ son los valores finales de estos parámetros del gas.

¿Cómo funciona esta calculadora de la ley de Charles? En primer lugar, tienes que introducir tres de los parámetros, y el cuarto se calcula automáticamente por ti. Supongamos que queremos hallar el volumen final, entonces la fórmula de la ley de Charles da:

V₂ = (T₂/T₁) × V₁.

Si prefieres fijar el volumen final y quieres estimar la temperatura resultante, entonces la ecuación de la ley de Charles cambia a:

T₂ = (V₂/V₁) × T₁.

En el último grupo de variables, también puedes definir la presión y ver cuántos moles de átomos o moléculas hay en un recipiente.

Podemos utilizar la calculadora de la ley de Charles para resolver algunos problemas termodinámicos. Veamos cómo funciona:

1. Imagina que tenemos un balón lleno de aire. Su volumen inicial es igual a 2 litros, y se encuentra en una playa donde la temperatura es de 35 °C. Luego la trasladamos a una habitación climatizada con una temperatura de 15 °C. ¿Cómo cambia el volumen de la pelota?

   • En primer lugar, la fórmula de la ley de Charles requiere los valores absolutos de las temperaturas, por lo que tenemos que convertirlas en Kelvin:

     T₁ = 35 °C = 308.15 K,
     T₂ = 15 °C = 288.15 K.

   • Entonces podemos aplicar la ecuación de la ley de Charles en la forma en que se evalúa el volumen final:

     V₂ = (T₂/T₁) × V₁
     V₂ = (288.15 K/308.15 K) × 2 L
     V₂ = 1.8702 L.

   Podemos ver que el volumen disminuye cuando movemos la bola de un lugar más caliente a otro más frío. A veces puedes experimentar ese efecto al cambiar de ubicación o simplemente al dejar un objeto afuera mientras cambia el clima. El balón parece poco inflado, y alguien puede pensar que hay un agujero, que hace que se escape el aire. Afortunadamente, es solo física, así que no tienes que comprar otro balón: ¡infla el que tienes y disfruta!

   Una pequeña observación: el aire es un ejemplo de gas real, por lo que el resultado es solo una aproximación, pero siempre que evitemos condiciones extremas (presión, temperatura). El resultado se aproxima suficientemente al valor real.

2. En el segundo problema, calentamos un recipiente que se estira fácilmente. Está lleno de nitrógeno, que es una buena aproximación a un gas ideal. Podemos averiguar que su volumen inicial es de 0.03 m³ a la temperatura ambiente de 295 K. Luego lo acercamos a la fuente de calor y lo dejamos un rato. Al cabo de unos minutos, su volumen ha aumentado a 0.062 m³. Con todos estos datos, ¿podemos estimar la temperatura de nuestro calentador?

   • Apliquemos la fórmula de la ley de Charles y reescribámosla de forma que podamos calcular la temperatura:

     T₂ = (V₂/V₁) × T₁
     = (0.062 m³ / 0.03 m³) × 295 K
     = 609.7 K.

   • Podemos escribir el resultado en una forma más familiar:
     T₂ = 336.5 °C o T₂ = 637.7 °F

   ¡Este es un gran ejemplo que nos demuestra que podemos utilizar este tipo de aparatos como termómetro! Bueno, no es un método muy práctico y probablemente no sea tan preciso como los termómetros comunes. Aun así, nos pone a pensar, ¿qué otras aplicaciones inusuales se pueden obtener a partir de otros objetos cotidianos?

En realidad, hay varios ámbitos en los que podemos aplicar la ley de Charles. He aquí una lista de algunos de los ejemplos más populares e intrigantes:

• Volar en globo aerostático: seguro que has visto un globo aerostático en el cielo al menos una vez en tu vida, o al menos por televisión ¿Te has preguntado alguna vez cómo es posible que vuele y por qué llevan fuego u otras fuentes de calor a bordo? ¡La ley de Charles es la respuesta! Siempre que se calienta el aire, aumenta su volumen. Como resultado, la misma cantidad (masa) de gas ocupa un espacio mayor, lo que significa que la densidad disminuye. La fuerza de flotación que ejerce el aire circundante al globo hace que el globo comience a flotar.

  La capacidad de moverse en una dirección dada es probablemente una historia diferente, pero podemos explicar el concepto general del movimiento hacia arriba y hacia abajo con la ley de Charles.

• Experimentos con nitrógeno líquido: ¿has visto alguna vez un experimento en el que alguien pone una pelota o un globo dentro de un recipiente lleno de nitrógeno líquido y luego lo saca fuera? En primer lugar, se encoge por muy grande que sea al principio. Después, tras retirarlo, vuelve a su estado inicial. Una vez más, siempre que cambia la temperatura, también lo hace el volumen.

• Termómetro: como se ha mostrado en el apartado anterior, es posible construir un aparato que mida la temperatura basándose en la ley de Charles. Aunque debemos ser conscientes de sus limitaciones, que son básicamente la tensión de rotura y la resistencia a altas temperaturas del objeto, podemos inventar un dispositivo que funcione perfectamente para cubrir nuestras necesidades. Siempre que tengas dudas sobre el resultado, consulta esta calculadora de la ley de Charles para encontrar la respuesta.

La ley de Charles, la ley de Boyle, y la ley de Gay-Lussac son algunas de las leyes fundamentales que describen la gran mayoría de los procesos termodinámicos. Hemos reunido todas las transiciones básicas de los gases en nuestra calculadora de la ley general de los gases 🇺🇸, donde puedes evaluar no solo los valores finales de la temperatura, la presión o el volumen, sino también el cambio de energía interna o el trabajo realizado por el gas.