La ley de Charles dice que si calientas un gas a presión constante, este se expande — de forma proporcional y predecible. Formalizada por Jacques Charles en la década de 1780 a partir de observaciones de que todos los gases se expanden aproximadamente en la misma fracción por cada grado de calentamiento, es una de las tres leyes simples de los gases (junto con las de Boyle y Gay-Lussac) que se combinan en la ley de los gases ideales. Este artículo explica de dónde viene la ley, por qué el Kelvin no es negociable, y dónde deja de funcionar el modelo de proporción directa.
La relación V/T = constante
La ley de Charles establece que, para una cantidad fija de gas a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta: V/T = constante, o equivalentemente V₁/T₁ = V₂/T₂ al comparar dos estados. Físicamente, la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas del gas — calienta el gas y sus moléculas se mueven más rápido y chocan con las paredes del contenedor con más fuerza y frecuencia. A presión constante, la única forma de mantener equilibrada la fuerza hacia afuera sobre las paredes es que el contenedor (o el límite del gas, como un pistón o la piel de un globo) se expanda, dando a las moléculas más espacio y reduciendo la frecuencia de colisión de vuelta a la presión original. Enfría el gas y ocurre lo contrario: el volumen se reduce. Por eso un globo de helio dejado afuera en un día frío se desinfla visiblemente aunque no se haya escapado ningún gas — el volumen simplemente ha seguido a la temperatura hacia abajo.
Por qué la temperatura debe estar en kelvin
La ley de Charles es una afirmación sobre proporción directa desde un cero verdadero, y solo la escala Kelvin tiene un cero verdadero — el punto en el que el movimiento molecular (y, en el límite idealizado, el volumen del gas) teóricamente se detiene. Celsius y Fahrenheit son escalas desplazadas con puntos cero arbitrarios, así que una relación proporcional que se cumple en kelvin no se cumple en ninguna de las dos. Convertir es una sola línea: K = °C + 273.15, o K = (°F − 32) × 5/9 + 273.15. La calculadora anterior hace esta conversión automáticamente y la marca cada vez que ingresas un valor en Celsius o Fahrenheit, pero hacerlo a mano es el paso que más estudiantes se saltan — y saltárselo produce volúmenes que están muy equivocados, a veces incluso negativos.
Cómo encaja la ley de Charles con la de Boyle y la ley combinada de los gases
La ley de Charles es una de tres leyes simples de los gases, cada una de las cuales mantiene fija una variable. La ley de Boyle (PV = constante) mantiene fija la temperatura y relaciona presión y volumen. La ley de Charles (V/T = constante) mantiene fija la presión y relaciona volumen y temperatura. La ley de Gay-Lussac (P/T = constante) mantiene fijo el volumen y relaciona presión y temperatura. Cuando la presión no es en realidad constante — por ejemplo, un cilindro de gas calentado en un tanque de volumen fijo, o un globo meteorológico subiendo a través de presión atmosférica cambiante — ninguna de las tres leyes simples se aplica limpiamente por sí sola, y necesitas la ley combinada de los gases, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂, o la ley completa de los gases ideales, PV = nRT, que reúne las tres leyes simples junto con la ley de Avogadro.
Dónde deja de funcionar el modelo simple
La ley de Charles describe un gas ideal — moléculas con tamaño insignificante y sin atracción entre ellas. Los gases reales se desvían de esto, especialmente a bajas temperaturas cercanas a la condensación y a altas presiones donde el volumen propio de las moléculas deja de ser insignificante. También asume que la cantidad de gas y la presión permanecen genuinamente constantes: un contenedor rígido y sellado no puede expandirse, así que calentar gas dentro de uno eleva la presión en lugar del volumen (esa es la ley de Gay-Lussac, no la de Charles), y la tensión del caucho de un globo real añade una pequeña contribución de presión propia que un modelo estricto de presión constante ignora. Para los rangos de temperatura cotidianos y presiones moderadas — el rango en el que viven la mayoría de los problemas de clase y de taller — la proporción directa de la ley de Charles es suficientemente precisa para usarse sin corrección.