Wat is de wet van Charles?
De wet van Charles beschrijft de relatie tussen volume en temperatuur van een gas. De wet werd door chemicus Joseph Louis Gay-Lussac, ook uit Frankrijk, aan de Franse wetenschapper Jacques Charles gecrediteerd. Simpel gezegd, als de druk constant blijft, is het volume van een gas gedeeld door zijn temperatuur gelijk aan een constante. Het kan worden afgeleid uit de ideale gasvergelijking, PV = nRT, waarbij P de druk is, V het volume is, n het aantal mol gas is, R de ideale gasconstante is en T de Kelvin-temperatuur is. De vergelijking herschrijven, V / T = (nR / P). Omdat P constant is, V / T = (constant).
Omdat de verhouding gelijk is aan een constante, V / T = K, kan een nieuwe temperatuur en volume voor hetzelfde gas worden geschreven V 1 / T 1 = K, leidend tot V / T = V 1 / T 1 . Hoewel deze fysieke relatie waar is voor een ideaal gas, komt wiskundige afwijking in de echte wereld voor, omdat er geen rekening is gehouden met deeltjesgrootte en interactieve krachten. Niettemin, als de temperatuur hoog is en de druk laag, wordt het deeltjesvolume onbelangrijk. Op dezelfde manier liggen deeltjes ver uit elkaar, aangezien de druk laag is. Dit vermindert de krachtinteractie tussen deeltjes, die afneemt met het kwadraat van de afstand, waardoor het onbeduidend wordt.
Hoewel de wet van Charles eenvoudig is, verklaart deze veel dagelijkse waarnemingen. Gist in deeg geeft kleine belletjes koolstofdioxidegas af. Door dat deeg te bakken, worden de bellen groter en krijg je lichtere en donzere broodjes. Het verwarmen van water in een ketel produceert expansieve stoom, die wordt gebruikt om stoommachines aan te drijven en klaslokalen warm te houden. De benzine-aangedreven automotor verbrandt brandstof en produceert een enorme hitte die de verbrandingsgassen uitbreidt om de zuigers aan te drijven die de krukas draaien en het voertuig aandrijven.
De wet van Charles wordt ook aangetoond wanneer iemand een fles of een blikje bier of frisdrank opent. Containers van deze dranken hebben onder druk kooldioxide in zich. Als een blikje of flesje drank koud is, resulteert het openen van de bovenkant in zeer weinig gasuitzetting. Met dezelfde drank bij een hoge temperatuur zal koolstofdioxidegas zich in veel grotere mate uitbreiden. Hierdoor kan een deel van de inhoud uit het blik en op de consument worden geschoten.
Een andere eenvoudige toepassing waarin de wet van Charles enig licht kan werpen, is het vullen van een ballon. Volume (V), dichtheid (D) en massa (M) gehoorzamen de relatie, D = M / V. Herschikken geeft V = M / D. Vervanging door Charles's wet V / T = (constant) geeft M / DT = (constant). Deze wetswijziging zegt dat als een ballon met gas wordt gevuld en de temperatuur daalt, de dichtheid zal toenemen. Als de ballon een punt bereikt waar de buitenlucht een dichtheid heeft die vergelijkbaar is met die in de ballon, zal de ballon niet verder stijgen.