La ley de Charles fue desarrollada por Jacques Charles en el siglo XVIII.
La ley de Charles es un enunciado que se encarga de describir cómo se lleva a cabo la expansión de un gas al calentarse. En contrapartida, cuando la temperatura desciende, el volumen del gas disminuye.
Esta ley indica que si la presión que se aplica sobre una muestra de gas es constante, el volumen y la temperatura se encuentran en proporción directa. Esto supone también que el incremento de la temperatura absoluta provoca un aumento proporcional del volumen de gas.
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ResumenHistoria de la ley de Charles
La ley de Charles fue desarrollada a fines de la década de 1780 por el físico francés Jacques Charles (1746–1823). También químico, matemático e inventor, Charles logró su descubrimiento unos años antes que Louis Joseph Gay-Lussac verificara esos preceptos y diera a conocer la ley de expansión de los gases, acontecimiento que tuvo lugar en 1802.
Cabe destacar que Charles realizó varias pruebas con globos aerostáticos, subiendo él mismo mientras analizaba el comportamiento de los gases. Sin embargo, nunca presentó las conclusiones de sus experimentos. En 1802, Gay-Lussac dio a conocer su trabajo sobre el vínculo entre la temperatura y el volumen cuando la presión se conserva constante. Por eso en ocasiones se combinan ambos principios y se habla de ley de Charles y Gay-Lussac.
De todos modos, en concreto se considera que la ley de Charles refiere a que un gas experimenta una expansión proporcional al aumento de su temperatura absoluta si la presión es constante, mientras que se hace mención a la ley de Gay-Lussac para aludir a que la presión de un volumen fijo de un gas resulta directamente proporcional a su temperatura.
De acuerdo a la ley de Charles, si la presión que se aplica sobre un gas resulta constante, el volumen y la temperatura son directamente proporcionales.
El comportamiento de los gases
La ley de Charles se enmarca en las llamadas leyes de los gases, que comenzaron a desarrollarse a fines del siglo XVII a medida que los científicos fueron advirtiendo que era posible hallar una fórmula válida para la totalidad de los gases que relacionara la temperatura, el volumen y la presión en un sistema cerrado.
Los físicos comprobaron que, a diferencia de lo que sucede con los sólidos y los líquidos, los gases evidenciaban un comportamiento similar ante una gran diversidad de condiciones. Esto se debe a que sus átomos y moléculas presentan una importante separación. En este marco, se creó el concepto de gas ideal para nombrar a aquel que seguiría estas leyes de manera exacta.
Un gas ideal, pues, es un gas teórico formado por partículas puntuales que no mantienen una interacción entre sí y que se desplazan de manera aleatoria. Sus partículas no experimentan repulsión ni atracción y tienen colisiones que son perfectamente elásticas. Partiendo de la combinación de las leyes de los gases reales, surgió la ley de los gases ideales, que es una ecuación de estado general.
Entre las mencionadas leyes de los gases, aparecen la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac, además de la ley de Boyle o ley de Boyle-Mariotte, cuyos principios fueron declarados de forma independiente por el irlandés Robert Boyle (1627–1691) y el galo Edme Mariotte (1620–1684). Esta última ley indica que, cuando la temperatura es constante, el volumen del gas es inversamente proporcional a la presión. Por lo tanto, el incremento de la presión se asocia a la caída del volumen y viceversa.
Asimismo hay que considerar la ley de Avogadro, cuyo nombre remite al italiano Amedeo Avogadro (1776–1856). De acuerdo a este científico, los volúmenes iguales de la gases presentan idéntica cantidad de moléculas a la misma presión y temperatura. Así, en una cierta masa de una gas ideal, los moles y el volumen son directamente proporcionales siempre que se mantengan constantes la presión y la temperatura.
La elevación de un globo aerostático puede explicarse mediante la ley de Charles.
Aplicación de la ley de Charles
La ley de Charles se tiene en cuenta en múltiples ámbitos y procesos. El ejemplo más usado es el de los globos aerostáticos, examinado por el propio Jacques Charles.
Con el principio de Arquímedes, ya desde antes de Cristo se sabía que, para que un objeto pueda flotar en un fluido, debe tener un peso inferior al del fluido que desplaza. Esto supone que el elemento flotará si es menos denso que el fluido en cuestión.
De acuerdo a la ley de Charles, si un globo se infla con un gas que se va calentando, su volumen se expande. Cuando el volumen ya es elevado, el globo consigue ocupar un volumen mayor con el mismo peso que el aire que lo rodea. Y dado que la densidad es inferior que la del aire frío, empieza a elevarse.
La ley de Charles también es observada en la producción de bebidas gaseosas o carbonatadas. Dado que el volumen del gas disminuye cuando baja la temperatura, se debe definir con precisión la cantidad de gas que se necesita en cada botella o lata para que el producto no sufra una caída de su efervescencia con la refrigeración.
De igual forma, como el volumen del gas crece si la temperatura aumenta, quien fabrican neumáticos se basan en la ley de Charles y consideran el coeficiente de expansión térmica para evitar posibles explosiones con el calor.
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