A lei de Charles diz que aqueça um gás a pressão constante e ele se expande – proporcionalmente e previsivelmente. Formalizada por Jacques Charles na década de 1780 a partir de observações de que todos os gases se expandem aproximadamente na mesma fração por grau de aquecimento, é uma das três leis simples dos gases (ao lado das de Boyle e Gay-Lussac) que se combinam na lei dos gases ideais. Este artigo aborda de onde vem a lei, por que Kelvin não é negociável e onde o modelo de proporção direta falha.
A relação V/T = constante
A lei de Charles afirma que, para uma quantidade fixa de gás a pressão constante, o volume é diretamente proporcional à temperatura absoluta: V/T = constante, ou equivalentemente V₁/T₁ = V₂/T₂ ao comparar dois estados. Fisicamente, a temperatura é uma medida da energia cinética média das moléculas de gás – aquece o gás e as suas moléculas movem-se mais rapidamente e colidem com as paredes do recipiente com mais força e frequência. A pressão constante, a única maneira de manter equilibrada a força externa nas paredes é expandir o recipiente (ou a fronteira do gás, como um pistão ou um balão), dando mais espaço às moléculas e reduzindo a frequência de colisão de volta à pressão original. Resfrie o gás e acontece o inverso: o volume diminui. É por isso que um balão de hélio deixado do lado de fora em um dia frio esvazia visivelmente, mesmo que nenhum gás tenha vazado – o volume simplesmente acompanhou a queda da temperatura.
Por que a temperatura deve estar em Kelvin
A lei de Charles é uma afirmação sobre a proporção direta de um zero verdadeiro, e apenas a escala Kelvin tem um zero verdadeiro - o ponto em que o movimento molecular (e, no limite idealizado, o volume do gás) teoricamente para. Celsius e Fahrenheit são escalas deslocadas com pontos zero arbitrários, portanto, uma relação proporcional válida em Kelvin não se aplica a nenhuma delas. A conversão é uma linha: K = °C + 273,15, ou K = (°F - 32) × 5/9 + 273,15. A calculadora acima faz essa conversão automaticamente e sinaliza sempre que você insere um valor Celsius ou Fahrenheit, mas fazer isso manualmente é a única etapa que a maioria dos alunos pula – e ignorá-la produz volumes que estão errados por uma ampla margem, às vezes até negativos.
Como a lei de Charles se ajusta à lei de Boyle e à lei combinada dos gases
A lei de Charles é uma das três leis simples dos gases, cada uma das quais mantém uma variável fixa. A lei de Boyle (PV = constante) mantém a temperatura fixa e relaciona pressão e volume. A lei de Charles (V/T = constante) mantém a pressão fixa e relaciona volume e temperatura. A lei de Gay-Lussac (P/T = constante) mantém o volume fixo e relaciona pressão e temperatura. Quando a pressão não é realmente constante - por exemplo, um cilindro de gás aquecido em um tanque de volume fixo ou um balão meteorológico subindo devido à mudança na pressão atmosférica - nenhuma das três leis simples se aplica de forma limpa por si só, e você precisa da lei dos gases combinada, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂, ou a lei completa dos gases ideais, PV = nRT, que combina todas as três leis simples com a lei de Avogadro.
Onde o modelo simples falha
A lei de Charles descreve um gás ideal — moléculas com tamanho desprezível e sem atração entre si. Os gases reais desviam-se disto, especialmente a baixas temperaturas próximas da condensação e a altas pressões onde o próprio volume das moléculas deixa de ser insignificante. Ele também pressupõe que a quantidade de gás e a pressão permanecem genuinamente constantes: um recipiente rígido e selado não pode se expandir, então o aquecimento do gás dentro dele aumenta a pressão em vez do volume (essa é a lei de Gay-Lussac, não a de Charles), e a tensão da borracha de um balão real adiciona uma pequena contribuição de pressão própria que um modelo estrito de pressão constante ignora. Para faixas diárias de temperatura e pressões moderadas - a faixa em que vive a maioria dos problemas em salas de aula e oficinas - a proporção direta da lei de Charles é precisa o suficiente para ser usada sem correção.