La Ley de Charles establece que "la cantidad de cambio en el volumen o la presión de un volumen de gas dado es directamente proporcional al cambio en la temperatura absoluta".
Esto significa:
A medida que aumenta la temperatura, aumentará el volumen de un recipiente flexible O aumentará la presión dentro de un recipiente no flexible.
Lo contrario sucede cuando la temperatura disminuye. A medida que la temperatura disminuye, el volumen de un recipiente flexible disminuirá O la presión dentro de un recipiente no flexible disminuirá.
Jacques Charles
Jacques Alexandre Cèsar Charles, nacido el 12 de noviembre de 1746 en Beaugency, Orleans.
Murió el 7 de abril de 1823 (76 años) en ParÃs. Es conocido como un inventor, cientÃfico, matemático y aeronauta francés. Se casó con una mujer 37 años menor que él, Julie Françoise Bouchaud des Hérettes, quien se convirtió en la musa del poeta francés Alphonse de Lamartine, quien se habÃa enamorado de ella. Ella fue la inspiración de Elvire en su autobiografÃa "Le Lac" (El lago)
Al estudiar la Ley de Boyle, publicada 100 años antes, Jacques Charles concibió la idea de utilizar hidrógeno como agente adecuado para levantar globos. El 27 de agosto de 1783, él y los hermanos Roberts lanzaron el primer globo inflado de hidrógeno del mundo en el sitio donde ahora se encuentra la Torre Eiffel, con BenjamÃn Franklin entre los espectadores.
En 1787 realizó los primeros experimentos sobre presión, volumen y temperatura. Aunque esto fue publicado más tarde por Joseph Louis Gay-Lussac en 1802, Gay-Lussac atribuyó el trabajo a la obra inédita de Charles.
La Ley de Charles
El calor es la energÃa de la acción molecular. Por lo tanto, si calientas gases, las moléculas se mueven más rápido e impactan con más fuerza en el interior de un recipiente.
En un recipiente flexible, este movimiento es absorbido por un aumento de volumen y la presión es constante.
En un recipiente no flexible, esto provoca un aumento de presión y el volumen es constante.
Enfriarse significa que las moléculas pierden calor y se ralentizan, lo que reduce su impacto y, a su vez, reduce la presión O el volumen.
Contenedor Flexible
Para un recipiente flexible, si aumenta la temperatura, el volumen aumentará pero no la presión (la presión es constante)
Contenedor no flexible
Para un recipiente no flexible, si aumenta la temperatura, la presión aumentará, pero no el volumen (el volumen es constante). Además, si aumenta la presión, la temperatura aumentará.
Leyes Combinadas
Aplicaciones
GLOBO – Si dejas un globo afuera bajo el sol, el volumen incrementará.
BOTELLAS DE BUCEO - Si deja un tanque lleno afuera al sol, la presión en el interior aumentará mostrando más suministro de gas.
Si tomas un tanque lleno en un dÃa caluroso, pero se sumerge en agua muy frÃa, la presión disminuirá y, en consecuencia, el suministro de gas.
También puede aumentar la temperatura llenando tanques (agregando gas a un volumen fijo).
Disminuye la temperatura liberando aire de un tanque (volumen fijo). Cuando abre la válvula de un tanque y deja salir el aire rápidamente, el tanque se enfrÃa.
Esto también explica por qué cuando se bucea en hielo, se recomiendan sellos ambientales en las primeras etapas del regulador para que no se congelen.
Entendiendo la Ley de Charles
A grandes rasgos
Por cada cambio de 1 ºC (hacia arriba o hacia abajo) en la temperatura, hay un cambio de 0,6 bar en la presión (0,6 bar por 1 ºC o 5 psi por 1 ºF), aunque esta es una regla general que no es precisa pero que funciona.
Ejemplo: Un depósito de 12 litros se llena a 220 Bar a 28ºC. Luego, el tanque se usa en agua a 3ºC, ¿cuál es el cambio de presión dentro del tanque?
El volumen no cambia (inflexible)
28ºC - 3ºC = 25ºC cambio
25 × 0,6 bares = 15 bares
220 bar - 15 bar = 205 bar
Para cálculos precisos usa la Ley de Gas Combinada
Ley de Gas Combinada
P = Presión absoluta
V = Volumen
T = Temperatura absoluta, como Kelvin (+273ºC) o Rankin (+460ºF)
Entonces, usemos el mismo ejemplo que antes (en métrica nuevamente)
Ejemplo: Un depósito de 12 litros se llena a 220 Bar a 28ºC. Luego, el tanque se usa en agua a 3ºC, ¿cuál es el cambio de presión dentro del tanque?
P1 = 220 bar + 1 bar (atmósfera) = 221 bar absoluto
V1 = El volumen del cilindro no cambia (V1=V2) por lo que podemos cancelarlos desde ambos lados de la ecuación
T1 = 28ºC + 273ºC= 301 kelvin (K)
T2 = 3ºC + 273ºC = 276 kelvin (K)
P2 =??
entonces, la fórmula ahora dice (Ley de Gay-Lussacs)
P1 = P2
T1 T2
P2 = P1T2
T1
P2 = 221 bar × 276K
301K
P2 = 202,6 bar absolutos
202,6 bar absoluto - 1 bar = 201,6 bar manométrico
* Entonces, puede ver que hay una diferencia entre la "regla general" y la Ley de los gases combinados, siendo la Ley de los gases combinados más precisa.
Ahora tomemos un ejemplo más difÃcil.
Ejemplo: imagina que estás suministrando aire desde la superficie a un buzo comercial a 65 metros. El compresor tiene una capacidad de 1000 litros por minuto. La temperatura en la superficie es de 32ºC y la temperatura del agua en la que se encuentra el buceador es de 3ºC. ¿Cuánto aire será capaz de suministrar el compresor a esa profundidad?
P1 1 bar absoluto
V1 1000 litros
T1 305K (32+273=305K)
P2 7,5 bar absoluto (65÷10+1=7,5 ata)
T2 276K (2+273=276K)
V2 desconocido
entonces, la ecuación transpuesta quedarÃa asÃ
V2=P1V1T2
T1P2
Por lo tanto
V2 = 1 bar × 1000 litros × 276K
305 K × 7,5 bares
= 276000
2287.5
=120,65 litros por minuto
Ahora está listo para realizar algunas pruebas sobre la ley de Charles.
Pruebe el examen a continuación.
Aquà hay enlaces a todos los exámenes.
Examen de Agua, Calor, Luz, Sonido y Gases
Examen de ArquÃmedes parte 1
Examen de ArquÃmedes Parte 2
Examen de Presión
Examen de la Ley de Boyles Parte 1
Cambios de profundidad de un solo nivel
Examen de la Ley de Boyles Parte 2
Cambios de profundidad de varios niveles
Examen de la ley de Charles
Examen de la ley de Henry
Examen de la ley de Dalton
(1) The Encyclopedia of Recreational Diving (3rd ed.). (2008). PADI.
(2) Divemaster Course Instructor Guide (1999 edition). (2005). PADI
(3) Wikipedia contributors. (2021b, June 19). Jacques Charles. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Jacques_Charles
(4) Physics. (2019). NOAA Diving Manual - Physics of Diving. Published. https://www.ehs.ucsb.edu/files/docs/ds/physics.pdf
(5) An Explanation of Pressure and the Laws of Boyle, Charles, Dalton, and Henry. (1997). Scuba Diving Explained. http://www.lakesidepress.com/pulmonary/books/scuba/sectiond.htm