La loi de Charles décrit la relation entre le volume et la température d’un gaz. La loi a été attribuée au scientifique français Jacques Charles par le chimiste Joseph Louis Gay-Lussac, également de France. En termes simples, si la pression reste constante, le volume d’un gaz divisé par sa température est égal à une constante. Il peut être déduit de l’équation des gaz parfaits, PV=nRT, où P est la pression, V est le volume, n est le nombre de moles de gaz, R est la constante des gaz parfaits et T est la température Kelvin. Réécriture de l’équation, V/T=(nR/P). Puisque P est constant, V/T=(constant).
Puisque le rapport est égal à une constante, V/T=K, une nouvelle température et un nouveau volume pour le même gaz peuvent être écrits V1/T1=K, conduisant à V/T= V1/T1. Bien que cette relation physique soit vraie pour un gaz parfait, une déviation mathématique se produit dans le monde réel, car la taille des particules et les forces interactives n’ont pas été prises en compte. Néanmoins, si la température est élevée et la pression faible, le volume des particules devient sans importance. De même, comme la pression est faible, les particules sont éloignées les unes des autres. Cela diminue l’interaction de force entre les particules, qui diminue avec le carré de la distance, la rendant insignifiante.
Bien que la loi de Charles soit simple, elle explique de nombreuses observations quotidiennes. La levure dans la pâte dégage de minuscules bulles de gaz carbonique. La cuisson de cette pâte dilate les bulles, donnant des pâtisseries plus légères et plus moelleuses. Le chauffage de l’eau dans une chaudière produit une vapeur expansive, qui est utilisée pour faire fonctionner les moteurs à vapeur et garder les salles de classe au chaud. Le moteur d’automobile à essence brûle du carburant, produisant une chaleur énorme qui dilate les gaz de combustion pour entraîner les pistons qui font tourner le vilebrequin et propulsent le véhicule.
La loi de Charles est également démontrée chaque fois qu’une personne ouvre une bouteille ou une canette de bière ou de soda. Les contenants de ces boissons contiennent du dioxyde de carbone sous pression. Si une canette ou une bouteille de boisson est froide, l’ouverture du couvercle entraîne une très faible expansion du gaz. Avec la même boisson à une température élevée, le dioxyde de carbone se dilatera beaucoup plus. Cela peut entraîner la projection d’une partie du contenu hors de la boîte et sur le consommateur.
Une autre application simple dans laquelle la loi de Charles peut nous éclairer est le remplissage d’un ballon. Le volume (V), la densité (D) et la masse (M) obéissent à la relation D=M/V. Le réarrangement donne V=M/D. En substituant ceci dans la loi de Charles V/T=(constante) donne M/DT=(constante). Cette modification de la loi dit que si un ballon est rempli de gaz et que la température diminue, la densité augmentera. Si le ballon atteint un point où l’air extérieur a une densité similaire à celle à l’intérieur du ballon, le ballon ne s’élèvera pas davantage.