Hukum Charles mengatakan bahwa panaskan gas pada tekanan konstan dan gas tersebut akan memuai secara proporsional dan dapat diprediksi. Diformalkan oleh Jacques Charles pada tahun 1780-an dari pengamatan bahwa semua gas memuai dengan fraksi yang kira-kira sama per derajat pemanasan, ini adalah salah satu dari tiga hukum gas sederhana (bersama dengan hukum Boyle dan Gay-Lussac) yang digabungkan menjadi hukum gas ideal. Artikel ini membahas dari mana hukum itu berasal, mengapa Kelvin tidak dapat dinegosiasikan, dan di mana model proporsi langsung tidak berlaku.
V/T = hubungan konstan
Hukum Charles menyatakan bahwa untuk sejumlah gas pada tekanan konstan, volume berbanding lurus dengan suhu absolut: V/T = konstan, atau setara dengan V₁/T₁ = V₂/T₂ ketika membandingkan dua keadaan. Secara fisik, suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata molekul gas — panasnya gas dan molekulnya bergerak lebih cepat dan semakin keras serta sering bertumbukan dengan dinding wadah. Pada tekanan konstan, satu-satunya cara untuk menjaga keseimbangan gaya luar pada dinding adalah dengan mengembangnya wadah (atau batas gas, seperti kulit piston atau balon), sehingga memberikan lebih banyak ruang bagi molekul dan menurunkan frekuensi tumbukan kembali ke tekanan semula. Mendinginkan gas dan terjadi sebaliknya: volume menyusut. Inilah sebabnya mengapa balon helium yang ditinggalkan di luar pada hari yang dingin akan terlihat mengempis meskipun tidak ada gas yang bocor — volumenya hanya mengikuti penurunan suhu.
Mengapa suhunya harus dalam kelvin
Hukum Charles adalah pernyataan tentang perbandingan langsung dari nol yang sebenarnya, dan hanya skala Kelvin yang mempunyai nol yang sebenarnya — titik di mana gerakan molekul (dan, dalam batas ideal, volume gas) secara teoritis berhenti. Celsius dan Fahrenheit keduanya merupakan skala offset dengan titik nol yang berubah-ubah, sehingga hubungan proporsional yang berlaku dalam kelvin tidak berlaku pada keduanya. Konversinya adalah satu baris: K = °C + 273.15, atau K = (°F − 32) × 5/9 + 273.15. Kalkulator di atas melakukan konversi ini secara otomatis dan menandainya setiap kali Anda memasukkan nilai Celcius atau Fahrenheit, namun melakukannya dengan tangan adalah satu-satunya langkah yang dilewati sebagian besar siswa — dan melewatkannya akan menghasilkan volume yang salah dengan selisih yang besar, bahkan terkadang negatif.
Bagaimana hukum Charles cocok dengan hukum Boyle dan hukum gas gabungan
Hukum Charles adalah salah satu dari tiga hukum gas sederhana, yang masing-masing hukumnya menyatakan satu variabel tetap. Hukum Boyle (PV = konstan) menyatakan suhu tetap dan menghubungkan tekanan dan volume. Hukum Charles (V/T = konstan) menyatakan tekanan tetap dan menghubungkan volume dan suhu. Hukum Gay-Lussac (P/T = konstan) menyatakan volume tetap dan menghubungkan tekanan dan suhu. Jika tekanan sebenarnya tidak konstan — misalnya, tabung gas yang dipanaskan dalam tangki bervolume tetap, atau balon cuaca yang naik karena perubahan tekanan atmosfer — tidak ada satu pun dari tiga hukum sederhana yang dapat diterapkan dengan sendirinya, dan Anda memerlukan gabungan hukum gas, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂, atau hukum gas ideal lengkap, PV = nRT, yang menggabungkan ketiga hukum sederhana tersebut dengan hukum Avogadro.
Dimana model sederhananya rusak
Hukum Charles menjelaskan gas ideal — molekul dengan ukuran dapat diabaikan dan tidak ada daya tarik satu sama lain. Gas nyata menyimpang dari hal ini, terutama pada suhu rendah yang mendekati kondensasi dan pada tekanan tinggi ketika volume molekulnya tidak lagi dapat diabaikan. Hal ini juga mengasumsikan jumlah gas dan tekanan tetap konstan: wadah tertutup rapat tidak dapat mengembang, sehingga gas yang dipanaskan di dalam wadah akan meningkatkan tekanan, bukan volume (yaitu hukum Gay-Lussac, bukan hukum Charles), dan tegangan karet balon sebenarnya menambah sedikit kontribusi tekanan yang diabaikan oleh model tekanan konstan yang ketat. Untuk kisaran suhu dan tekanan sedang sehari-hari — kisaran yang sering menjadi masalah di ruang kelas dan bengkel — proporsi langsung hukum Charles cukup akurat untuk digunakan tanpa koreksi.