Wat is de wet van Charles?

Theodore G. Lindeman, professor en voorzitter van de afdeling scheikunde van Colorado College in Colorado Springs, geeft deze verklaring:

De Het natuurkundige principe dat bekend staat als de wet van Charles stelt dat het volume van een gas gelijk is aan een constante waarde vermenigvuldigd met de temperatuur zoals gemeten op de schaal van Kelvin (nul Kelvin komt overeen met -273,15 graden Celsius).

De wet is naam eert de pionier ballonvaarder Jacques Charles, die in 1787 experimenten deed over hoe het volume van gassen afhing van de temperatuur. De ironie is dat Charles nooit het werk publiceerde waarvoor hij wordt herinnerd, noch was hij de eerste of de laatste die deze ontdekking deed. In feite had Guillaume Amontons 100 jaar eerder hetzelfde soort experimenten gedaan, en het was Joseph Gay-Lussac in 1808 die definitieve metingen deed en resultaten publiceerde waaruit bleek dat elk gas dat hij testte aan deze generalisatie voldeed.

is nogal verrassend dat tientallen verschillende substan ces zouden zich precies hetzelfde moeten gedragen, aangezien deze wetenschappers ontdekten dat verschillende gassen dat deden. De geaccepteerde verklaring, die James Clerk Maxwell rond 1860 naar voren bracht, is dat de hoeveelheid ruimte die een gas inneemt puur afhangt van de beweging van de gasmoleculen. Onder typische omstandigheden zijn gasmoleculen erg ver van hun buren verwijderd en zijn ze zo klein dat hun eigen massa verwaarloosbaar is. Ze duwen naar buiten op kolven, zuigers of ballonnen door simpelweg met hoge snelheid op die oppervlakken te stuiteren. In een heliumballon slaan ongeveer 1024 (een miljoen miljoen miljoen) heliumatomen elke seconde in elke vierkante centimeter rubber, met snelheden van ongeveer een mijl per seconde!

Zowel de snelheid als de frequentie waarmee de gasmoleculen kaatsen af van containerwanden afhankelijk van de temperatuur, daarom duwen warmere gassen ofwel harder tegen de wanden (hogere druk) of nemen ze grotere volumes in (een paar snelle moleculen kunnen de ruimte innemen van veel langzame moleculen). In het bijzonder, als we de Kelvin-temperatuur van een star ingesloten gasmonster verdubbelen, neemt het aantal botsingen per oppervlakte-eenheid per seconde toe met de vierkantswortel van 2, en gemiddeld neemt het momentum van die botsingen toe met de vierkantswortel van 2. Dus de netto effect is dat de druk verdubbelt als de container niet uitrekt, of het volume verdubbelt als de container groter wordt om te voorkomen dat de druk stijgt.

We zouden dus kunnen zeggen dat de wet van Charles beschrijft hoe heteluchtballonnen licht genoeg worden om op te stijgen, en waarom een temperatuurinversie convectiestromen in de atmosfeer voorkomt, en hoe een gasmonster kan werken als een absolute thermometer.