Hvad er Charles lov?

Theodore G. Lindeman, professor og formand for kemiafdelingen ved Colorado College i Colorado Springs, giver denne forklaring:

The fysiske princip kendt som Charles “lov siger, at volumenet af en gas er lig med en konstant værdi ganget med dens temperatur målt på Kelvin-skalaen (nul Kelvin svarer til -273,15 grader Celsius).

Loven” s navn hædrer pionerballonisten Jacques Charles, som i 1787 eksperimenterede med, hvordan gasens volumen var afhængig af temperaturen. Det ironiske er, at Charles aldrig offentliggjorde det arbejde, som han huskes for, og heller ikke var han den første eller sidste til at finde denne opdagelse. Faktisk havde Guillaume Amontons gjort de samme slags eksperimenter 100 år tidligere, og det var Joseph Gay-Lussac i 1808, der foretog endelige målinger og offentliggjorde resultater, der viste, at enhver gas, han testede, adlød denne generalisering.

Det er ret overraskende, at snesevis af forskellige substanser ces skulle opføre sig nøjagtigt ens, da disse forskere fandt ud af, at forskellige gasser gjorde det. Den accepterede forklaring, som James Clerk Maxwell fremsatte omkring 1860, er, at den mængde plads, en gas optager, afhænger udelukkende af bevægelsen af gasmolekylerne. Under typiske forhold er gasmolekyler meget langt fra deres naboer, og de er så små, at deres egen bulk er ubetydelig. De skubber udad på kolber eller stempler eller balloner ved blot at hoppe af disse overflader i høj hastighed. Inde i en heliumballon smager omkring 1024 (en million millioner millioner) heliumatomer ind i hver kvadratcentimeter gummi hvert sekund med hastigheder på cirka en kilometer i sekundet!

Både den hastighed og frekvens, hvormed gasmolekyler, der ricochet af beholdervæggene, afhænger af temperaturen, hvorfor varmere gasser enten skubber hårdere mod væggene (højere tryk) eller optager større volumener (et par hurtige molekyler kan optage pladsen til mange langsomme molekyler). Specifikt, hvis vi fordobler Kelvin-temperaturen for en stiv indeholdt gasprøve, stiger antallet af kollisioner pr. Arealenhed pr. Sekund med kvadratroden på 2, og i gennemsnit øges momentet for disse kollisioner med kvadratroden på 2. Så nettoeffekt er, at trykket fordobles, hvis beholderen ikke strækker sig, eller lydstyrken fordobles, hvis beholderen forstørres for at forhindre, at trykket stiger.

Så vi kan sige, at Charles “Law beskriver, hvordan luftballoner få lys nok til at løfte af, og hvorfor en temperaturinversion forhindrer konvektionsstrømme i atmosfæren, og hvordan en prøve af gas kan fungere som et absolut termometer.