Ley de Charles
La ley de Charles es una ley experimental de los gases que describe cómo los gases tienden a expandirse cuando se calientan.
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La ley de Charles, también conocida como la ley de los volúmenes, es una ley experimental de los gases que describe cómo los gases tienden a expandirse cuando se calientan. Un enunciado moderno de la ley de Charles establece que:
Cuando la presión sobre una muestra de gas seco se mantiene constante, la temperatura absoluta (en Kelvin) y el volumen son directamente proporcionales.[1]
- Ley de Charles
- Ley de Boyle
- Ley de Gay-Lussac
- Ley de los gases combinados
- Ley de Avogadro
- Ley de los gases ideales
| Conceptos Molares | ||
|---|---|---|
| Constantes | ||
| Medidas físicas | ||
| Leyes |
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Esta relación de proporción directa se puede expresar matemáticamente como:
lo que implica:
donde:
- V es el volumen del gas,
- T es la temperatura del gas (medida en kelvins), y
- k es una constante que depende de la cantidad de gas y de la presión.
Esta ley describe cómo un gas se expande al aumentar la temperatura; por el contrario, una disminución de la temperatura conduce a una disminución del volumen. Para comparar la misma sustancia bajo dos conjuntos diferentes de condiciones, la ley se puede escribir como:
La ecuación muestra que, a medida que aumenta la temperatura absoluta, el volumen del gas también aumenta en la misma proporción. También se puede escribir como:
, donde es el coeficiente de expansión volumétrica a presión constante.
![{\displaystyle V=V_{0}\left[1+\alpha \left(T-T_{0}\right)\right]}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6dd252f3ddc21e935b19b61e4a945f5d57649289)
Esta ley es una aproximación válida para gases ideales a bajas presiones y altas temperaturas. Se observa que, cuando la presión tiende a cero, tiende a un valor universal, independiente del gas, aproximadamente igual a 0,003 661 = 1/273,15, cuando las temperaturas se expresan en grados Celsius.[2][3]
Historia
La ley lleva el nombre del físico, químico e inventor francés Jacques Charles, quien formuló la ley original en su trabajo inédito de la década de 1780. Fue publicada por primera vez por el filósofo natural francés Louis Joseph Gay-Lussac en 1802, quien reconoció explícitamente el descubrimiento previo de Charles.[4] Por esta razón, ocasionalmente se le denomina ley de Charles y Gay-Lussac. Sin embargo, el nombre de ley de Gay-Lussac se reserva más comúnmente para la fórmula que relaciona la presión y la temperatura de un gas ideal a volumen constante.[2][3]
Desarrollo
En dos de una serie de cuatro ensayos presentados entre el 2 y el 30 de octubre de 1801,[5] John Dalton demostró mediante experimentos que todos los gases y vapores que estudió se expandían en la misma cantidad entre dos puntos fijos de temperatura. Gay-Lussac confirmó el descubrimiento en una presentación ante el Instituto Nacional Francés el 31 de enero de 1802,[4] aunque atribuyó el descubrimiento al trabajo inédito de la década de 1780 de Jacques Charles. Los principios básicos ya habían sido descritos por Guillaume Amontons[6] y Francis Hauksbee[7] un siglo antes.
Dalton fue el primero en demostrar que la ley se aplicaba generalmente a todos los gases y a los vapores de líquidos volátiles si la temperatura estaba muy por encima del punto de ebullición. Gay-Lussac estuvo de acuerdo.[8]
Relación con el cero absoluto
La ley de Charles implica que el volumen de un gas se reduciría a cero absoluto a una temperatura de −266,66 °C según los cálculos de Gay-Lussac, o el valor más preciso de −273,15 °C. El propio Gay-Lussac advirtió que la ley no era aplicable a bajas temperaturas:
...pero puedo mencionar que esta última conclusión no puede ser verdadera excepto mientras los vapores comprimidos permanezcan enteramente en el estado elástico; y esto requiere que su temperatura sea suficientemente elevada para permitirles resistir la presión que tiende a hacerlos asumir el estado líquido.[4]
La primera mención de una temperatura a la que el volumen de un gas podría descender a cero fue realizada por William Thomson (más tarde Lord Kelvin) en 1848:[9]
Esto es lo que podríamos anticipar cuando reflexionamos que el frío infinito debe corresponder a un número finito de grados del termómetro de aire bajo cero; ya que si llevamos lo suficientemente lejos el estricto principio de graduación, expuesto anteriormente, deberíamos llegar a un punto correspondiente al volumen de aire reducido a la nada, que estaría marcado como −273° de la escala (−100/.366, si .366 es el coeficiente de expansión).
Relación con la teoría cinética
La teoría cinética de los gases relaciona las propiedades macroscópicas de los gases, como la presión y el volumen, con las propiedades microscópicas de las moléculas que componen el gas. Para derivar la ley de Charles a partir de la teoría cinética, se define la temperatura como proporcional a la energía cinética promedio de las moléculas de gas, :
La teoría cinética también establece que para un gas ideal:
Combinando ambas expresiones se obtiene que a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta, lo que constituye la ley de Charles.
Véase también
- Ley de Boyle-Mariotte — leyes de los gases que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante
- Ley de Gay-Lussac — relationship between pressure and temperature of a gas at constant volume.
- Ley de Avogadro — ley física sobre el volumen del gas
- Ley de los gases ideales — unión de las fórmulas de Gay-Lussac, Boile y Charles
- Cero absoluto — temperatura más baja posible
