Quelle est la loi de Charles?
La loi de Charles décrit la relation entre le volume et la température d'un gaz. La loi a été attribuée au scientifique français Jacques Charles par le chimiste Joseph Louis Gay-Lussac, également de la France. En termes simples, si la pression reste constante, le volume d'un gaz divisé par sa température est égal à une constante. On peut déduire de l'équation du gaz idéal, PV = nRT, où P est la pression, V le volume, n le nombre de moles de gaz, R la constante des gaz parfaits et T la température de Kelvin. Réécriture de l'équation, V / T = (nR / P). Puisque P est constant, V / T = (constant).
Puisque le rapport est égal à une constante, V / T = K, une nouvelle température et un nouveau volume pour le même gaz peuvent être écrits V 1 / T 1 = K, conduisant à V / T = V 1 / T 1 . Bien que cette relation physique soit vraie pour un gaz idéal, une déviation mathématique se produit dans le monde réel, car la taille des particules et les forces interactives n'ont pas été prises en compte. Néanmoins, si la température est élevée et la pression basse, le volume de particules devient sans importance. De même, la pression étant basse, les particules sont très éloignées les unes des autres. Cela réduit l'interaction des forces entre les particules, qui diminue avec le carré de la distance, ce qui la rend insignifiante.
Bien que la loi de Charles soit simple, elle explique de nombreuses observations quotidiennes. La levure dans la pâte dégage de minuscules bulles de dioxyde de carbone. La cuisson de cette pâte dilate les bulles, donnant des pâtisseries plus légères et plus moelleuses. Le chauffage de l'eau dans une chaudière produit une vapeur expansive, qui est utilisée pour faire fonctionner les moteurs à vapeur et maintenir les salles de classe au chaud. Le moteur automobile à essence consomme du carburant, produisant une chaleur énorme qui dilate les gaz de combustion pour entraîner les pistons qui font tourner le vilebrequin et alimentent le véhicule.
La loi de Charles est également démontrée chaque fois qu'une personne ouvre une bouteille ou une canette de bière ou de soda. Les récipients contenant ces boissons contiennent du dioxyde de carbone sous pression. Si une canette ou une bouteille de boisson est froide, une ouverture par le haut entraîne une très faible expansion du gaz. Avec le même breuvage à une température élevée, le dioxyde de carbone gazeux augmentera beaucoup plus rapidement. Cela peut entraîner la projection d'une partie du contenu de la boîte sur le consommateur.
Une autre application simple dans laquelle la loi de Charles peut nous éclairer est le remplissage d'un ballon. Le volume (V), la densité (D) et la masse (M) obéissent à la relation, D = M / V. Le réarrangement donne V = M / D. En substituant ceci à la loi de Charles, V / T = (constante) donne M / DT = (constante). Cette modification de la loi dit que si un ballon est rempli de gaz et que la température diminue, la densité augmentera. Si le ballon atteint un point où la densité de l'air extérieur est similaire à celle du ballon, le ballon ne montera plus.