Legge di Charles: cosa dice e come si applica
Quando si parla delle leggi dei gas perfetti è d’obbligo nominare la legge di Charles. Questo argomento è una delle basi fondamentali sia per la Chimica che per la Fisica. Proprio per questo spesso e volentieri si palesa anche all’interno delle domande dei temutissimi test di Medicina o TOLC.
Vediamo di approfondire questa legge, che per una controversia è nota anche come prima legge di Gay-Lussac.
Legge di Charles o di Gay-Lussac?
Il fatto che questo enunciato fondamentale sia chiamato con i nomi di ben due fisici francesi è dovuto alla mancata pubblicazione dei risultati di uno dei due. A scoprire la legge dell’isobara fu infatti Jacques Alexandre César Charles nel 1787, fisico, scienziato e pioniere dell’aeronautica del suo paese.
Joseph Louis Gay-Lussac non arrivò neppure secondo in questa gara di ricerca di risultati. La legge di Charles ancora non formulata venne dimostrata anche dallo studioso e inventore italiano Alessandro Volta. L’enunciato di questa legge venne infine messo per iscritto nel 1802.
Jacques Charles ottenne comunque il riconoscimento del proprio lavoro, ma il suo lavoro più famoso rimane il primo pallone aerostatico a idrogeno. L’invenzione vide il primo collaudo in contemporanea con la mongolfiera, sviluppata dai fratelli Montgolflier. A compiere l’ascensione fu lo stesso inventore, dimostrando la propria sicurezza in merito.
Non dovrebbe dunque stupire come la legge di Charles abbia preso piede nella mente scienziato. Egli procedette riempiendo 5 palloni con lo stesso volume di gas diversi. Dopodiché scaldò ogni pallone fino a 80°C. L’esperimento dimostrò che il volume variava in modo costante in relazione alla temperatura a cui si trovava il gas.
Proprio questo esperimento fu citato da Gay-Lussac quando mise per iscritto i propri risultati. Possiamo dedurre che non si trattasse affatto di un furto d’opera, ma che ci fosse rispetto fra i due studiosi. Tanto più che Gay-Lussac era molto più giovane di Charles.
Enunciato e formula della legge
La legge di Charles afferma che in condizioni di pressione costante il rapporto tra il volume e la pressione assoluta di un gas perfetto rimane costante. Spesso si fa riferimento a questo enunciato anche come legge isobara, poiché il parametro che rimane fisso è la pressione.
Considerando volume e temperatura iniziali di un gas come V1 e T1 e i valori finali dopo la variazione come V2 e T2 si scrive in questo modo:
V1 : T1 = V2 : T2. Per calcolare invece i singoli valori considerato che ci troviamo di fronte a una proporzione si usano le formule diverse seguenti:
Per le misure del volume: V1 (iniziale) = T1 x V2/T2; V2 (finale) = V1 x T2/T1. Per i valori della temperatura invece si fa: T1(iniziale) = V1 x T2/V2; e T2(finale) = T1 x V2/V1.
La legge di Charles definisce la relazione fra volume e temperatura a pressione costante come direttamente proporzionale. Questo significa che se la temperatura o il volume aumentano anche l’altra grandezza salirà di valore di conseguenza. Se una delle due raddoppia, lo farà anche l’altra, secondo la formula V/T = k.
Il grafico della legge vedrà una retta costruita unendo i punti che correlano la pressione in ordinata con la temperatura in ascissa. La temperatura si indica sempre in gradi Kelvin (K).
Spiegazione fisica
La legge di Charles è derivata come tutte le regole della Fisica e della Chimica da dubbi e domande. Ecco perché non va accettata a prescindere ma è giusto approfondire il motivo per cui volume e temperatura variano secondo una funzione lineare.
La spiegazione la si può trovare nella teoria cinetico-molecolare della materia. In altre parole la variazione a livello macroscopico del volume in relazione alla temperatura da parte del gas dipende da ciò che avviene a livello microscopico, o meglio molecolare. Sono le particelle della sostanza le responsabili di ogni cambiamento.
Ciò che la legge di Charles non descrive è che a livello molecolare c’è una velocizzazione del movimento delle particelle con l’aumentare della temperatura. Se il gas è in un recipiente quindi le sue molecole urteranno le pareti con urti di frequenza doppia.
La pressione potrebbe influenzarli ma in questo caso rimane costante. Quindi se le particelle sono forzate a mantenere la frequenza degli urti precedente alla variazione di temperatura si allargheranno nello spazio aumentando il volume.
