La legge di Charles (o prima legge di Gay-Lussac)

La legge di Charles descrive la correlazione che esiste tra temperatura e volume di un gas a pressione costante.

Charles dedusse questa relazione da semplici dati empirici. Misurò il volume occupato da una determinata massa di gas a temperature diverse.

Quello che ne dedusse fu una relazione di diretta proporzionalità, del tipo:

V1 : T1 = V2 : T2

In realtà la relazione esprimeva la correlazione tra volume e temperatura in gradi celsius:

Vt = V0 (1 + αt)

Dove T è la temperatura in gradi celsius °C, e  α  è un coefficiente con unità 1/C° chiamato coefficiente di espansione, con valore di 1/273 C°-1, V0 è il volume a 0° C e Vt è il volume alla temperatura t.

Da questa relazione si estrapola anche il famoso valore dello zero assoluto, lo zero Kelvin. Cerchiamo di capire come; sostituiamo ad α il valore numerico di 1/273.

Vt = V0 (1 + \frac{1}{273}t)

Si osserva che, sostituendo a t il valore di -273 °C il termine (1 + αt) si annulla. Ne consegue che anche Vt si annulla, ovvero, ipoteticamente, si avrebbe una contrazione fino a volume zero. Questa relazione è vera per qualsiasi gas, e può essere anche estrapolata dal grafico T-V.

La prima legge di Gay-Lussac

 In realtà il volume non si annulla mai, anche perchè abbassando la temperatura il gas prima o dopo andrà incontro ad un passaggio di stato. Alla luce di quanto abbiamo detto, l'espressione:

Vt = V0 \left(1 + \frac{1}{273}t\right)

Può essere scritto in modo da rappresentare la temperatura in Kelvin:

Vt = V0 \left (\frac{273 + t}{273}\right)

Vt = V0\left(\frac{T_f}{T_0}\right)

Infatti 273 + t corrisponde alla temperatura in gradi Kelvin, e 273 °C, come abbiamo visto è lo zero Kelvin. Quindi:

\frac{V_t}{V_0} : \frac{T_f}{T_0}

Che non è altro che la relazione che abbiamo espresso all'inizio, ovvero:

V1 : T1 = V2 : T2

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