La legge di Charles descrive la relazione tra volume e temperatura di un gas. La legge è stata attribuita allo scienziato francese Jacques Charles dal chimico Joseph Louis Gay-Lussac, anch’egli francese. In poche parole, se la pressione rimane costante, il volume di un gas diviso per la sua temperatura è uguale a una costante. Può essere dedotto dall’equazione del gas ideale, PV=nRT, dove P è la pressione, V è il volume, n è il numero di moli di gas, R è la costante del gas ideale e T è la temperatura Kelvin. Riscrivendo l’equazione, V/T=(nR/P). Poiché P è costante, V/T=(costante).
Poiché il rapporto è uguale a una costante, V/T=K, una nuova temperatura e volume per lo stesso gas può essere scritta V1/T1=K, portando a V/T= V1/T1. Sebbene questa relazione fisica sia vera per un gas ideale, la deviazione matematica si verifica nel mondo reale, poiché la dimensione delle particelle e le forze interattive non sono state prese in considerazione. Tuttavia, se la temperatura è alta e la pressione è bassa, il volume delle particelle diventa irrilevante. Allo stesso modo, poiché la pressione è bassa, le particelle sono distanti tra loro. Questo riduce l’interazione della forza tra le particelle, che diminuisce con il quadrato della distanza, rendendola insignificante.
Sebbene la legge di Charles sia semplice, spiega molte osservazioni quotidiane. Il lievito nell’impasto emette minuscole bolle di anidride carbonica. La cottura di quell’impasto espande le bolle, dando pasticcini più leggeri e soffici. Il riscaldamento dell’acqua in una caldaia produce vapore espansivo, che viene utilizzato per azionare motori a vapore e mantenere calde le aule. Il motore dell’automobile a benzina brucia carburante, producendo un calore tremendo che espande i gas di combustione per azionare i pistoni che fanno girare l’albero motore e alimentano il veicolo.
La legge di Carlo si dimostra anche ogni volta che una persona apre una bottiglia o una lattina di birra o soda. I contenitori di queste bevande hanno anidride carbonica pressurizzata al loro interno. Se una lattina o una bottiglia di bevanda è fredda, l’apertura del coperchio provoca una minima espansione del gas. Con la stessa bevanda a una temperatura calda, l’anidride carbonica si espanderà in misura molto maggiore. Ciò può causare la fuoriuscita di alcuni contenuti dalla lattina e sul consumatore.
Un’altra semplice applicazione in cui la legge di Charles può far luce è il riempimento di un palloncino. Volume (V), densità (D) e massa (M) obbediscono alla relazione D=M/V. Riorganizzare dà V=M/D. Sostituendo questo nella legge di Charles V/T=(costante) dà M/DT=(costante). Questa modifica della legge dice che se un pallone viene riempito di gas e la temperatura diminuisce, la densità aumenterà. Se il pallone raggiunge un punto in cui l’aria esterna ha una densità simile a quella interna, il pallone non si solleverà ulteriormente.