Vad är Charles ”lag?

Theodore G. Lindeman, professor och ordförande för kemiavdelningen vid Colorado College i Colorado Springs, erbjuder denna förklaring:

The fysiska princip som kallas Charles ”lag säger att gasens volym är lika med ett konstant värde multiplicerat med dess temperatur mätt på Kelvin-skalan (noll Kelvin motsvarar -273,15 grader Celsius).

Lagen” s namnet hedrar pionjärballongspelaren Jacques Charles, som 1787 gjorde experiment på hur gasvolymen berodde på temperaturen. Ironin är att Charles aldrig publicerade det arbete som han kommer ihåg för, och han var inte heller den första eller sista som gjorde denna upptäckt. Faktum är att Guillaume Amontons hade gjort samma slags experiment 100 år tidigare, och det var Joseph Gay-Lussac 1808 som gjorde slutgiltiga mätningar och publicerade resultat som visade att varje gas han testade följde denna generalisering.

Det är ganska förvånande att dussintals olika substanser ces bör bete sig exakt lika, eftersom dessa forskare fann att olika gaser gjorde. Den accepterade förklaringen, som James Clerk Maxwell lade fram omkring 1860, är att mängden utrymme en gas upptar beror helt på gasmolekylernas rörelse. Under typiska förhållanden är gasmolekyler mycket långt från sina grannar, och de är så små att deras egen bulk är försumbar. De skjuter utåt på kolvar eller kolvar eller ballonger helt enkelt genom att studsa av dessa ytor i hög hastighet. Inuti en heliumballong slår cirka 1024 (en miljon miljoner miljoner) heliumatomer in i varje kvadratcentimeter gummi varje sekund, med hastigheter på ungefär en mil per sekund!

Både hastigheten och frekvensen med vilken gasmolekyler ricochet av behållarväggar beror på temperaturen, varför varmare gaser antingen trycker hårdare mot väggarna (högre tryck) eller upptar större volymer (några snabba molekyler kan uppta utrymmet för många långsamma molekyler). Specifikt, om vi fördubblar Kelvin-temperaturen för ett styvt gasprov, ökar antalet kollisioner per ytenhet per sekund med kvadratroten på 2, och i genomsnitt ökar momentet för dessa kollisioner med kvadratroten på 2. Så nettoeffekten är att trycket fördubblas om behållaren inte sträcker sig, eller volymen fördubblas om behållaren förstoras för att hålla trycket från att stiga.

Så vi kan säga att Charles ”Law beskriver hur luftballonger bli tillräckligt lätt för att lyfta av och varför en temperaturinversion förhindrar konvektionsströmmar i atmosfären och hur ett gasprov kan fungera som en absolut termometer.