Hva er Charles lov?

Theodore G. Lindeman, professor og leder for kjemiavdelingen ved Colorado College i Colorado Springs, gir denne forklaringen:

The fysiske prinsipp kjent som Charles «lov sier at volumet av en gass tilsvarer en konstant verdi multiplisert med temperaturen målt på Kelvin-skalaen (null Kelvin tilsvarer -273,15 grader Celsius).

Loven» s navnet hedrer pionerballongspilleren Jacques Charles, som i 1787 gjorde eksperimenter med hvordan volumet av gasser var avhengig av temperaturen. Det ironiske er at Charles aldri publiserte verket som han blir husket for, og heller ikke var han den første eller siste som gjorde denne oppdagelsen. Guillaume Amontons hadde faktisk gjort samme slags eksperimenter 100 år tidligere, og det var Joseph Gay-Lussac i 1808 som foretok endelige målinger og publiserte resultater som viste at hver gass han testet fulgte denne generaliseringen.

Den er ganske overraskende at dusinvis av forskjellige substanser ces burde oppføre seg nøyaktig likt, ettersom disse forskerne fant at forskjellige gasser gjorde det. Den aksepterte forklaringen, som James Clerk Maxwell fremmet rundt 1860, er at mengden plass en gass opptar, avhenger rent av bevegelsen til gassmolekylene. Under typiske forhold er gassmolekyler veldig langt fra naboene, og de er så små at deres egen bulk er ubetydelig. De skyver utover på kolber eller stempler eller ballonger ganske enkelt ved å sprette av overflatene i høy hastighet. Inne i en heliumballong smeller rundt 1024 (en million millioner millioner) heliumatomer inn i hver kvadratcentimeter gummi hvert sekund, i hastigheter på omtrent en kilometer per sekund!

Både hastigheten og frekvensen som gassmolekyler som ricochet av beholderveggene avhenger av temperaturen, og det er grunnen til at varmere gasser enten skyver hardere mot veggene (høyere trykk) eller opptar større volumer (noen få raske molekyler kan oppta plassen til mange langsomme molekyler). Spesielt, hvis vi dobler Kelvin-temperaturen til en gassprøve med stivt innhold, øker antall kollisjoner per arealeenhet per sekund med kvadratroten på 2, og i gjennomsnitt øker momentet til disse kollisjonene med kvadratroten på 2. Så nettoeffekt er at trykket dobler hvis beholderen ikke strekker seg, eller volumet dobles hvis beholderen forstørres for å forhindre at trykket stiger.

Så vi kan si at Charles «Law beskriver hvordan luftballonger bli lett nok til å løfte av, og hvorfor en temperaturinversjon forhindrer konveksjonsstrømmer i atmosfæren, og hvordan en prøve av gass kan fungere som et absolutt termometer.