Die empirische Beziehung, dass für eine feste Menge Gas bei konstantem Druck das Volumen direkt proportional zur absoluten Temperatur ist, oft als V/T = konst. (mit T in Kelvin) angegeben.

Prinzip

Bei konstantem Druck und Stoffmenge führt Erwärmung eines Gases zu einer Erhöhung der mittleren kinetischen Energie und damit des Volumens, so dass V/T in der idealen Näherung konstant bleibt; das Gesetz beschreibt thermische Ausdehnung bei isobaren Bedingungen.

Demonstration

Erwärmt man einen Heliumballon bei Umgebungsdruck, vergrößert sich sein Volumen annähernd linear mit der Temperatur in Kelvin; experimentell ergibt eine Messreihe von V gegen T eine gerade Linie, die unter idealisierenden Annahmen zum absoluten Nullpunkt extrapoliert durch den Ursprung geht.

Fehlanwendung

Verwendung von Grad Celsius statt Kelvin, Extrapolation der linearen Beziehung unterhalb der Temperaturen, bei denen das Gas verflüssigt, oder Annahme der Gültigkeit, wenn der Druck nicht konstant gehalten werden kann (z. B. in einem starren Behälter).

Konsequenz

Bietet eine einfache Methode, thermische Veränderungen mit volumetrischer Ausdehnung bei konstantem Druck zu verknüpfen, unterstützt die Definition und Messung absoluter Temperaturskalen und liegt Geräten wie dem Gasthermometer zugrunde.

Umkehrung

Die Gegenaussage ist das Gay-Lussacsche Gesetz/die Druckgesetz: bei konstantem Volumen und Stoffmenge ist der Druck proportional zur Temperatur; die Umkehr des Prozesses (Abkühlung bei konstantem P) verringert das Volumen bis zu Nichtidealitäts- oder Phasengrenzen.

Abgrenzung

Gilt für ideale bzw. hinreichend verdünnte Gase bei Drücken ohne Kondensation und wenn der Druck konstant gehalten wird; schließt Regime mit Phasenübergängen, chemischen Reaktionen oder signifikanter Nichtidealität aus.

Semantische Spannung

Spannung zwischen der idealen linearen V–T-Proportionalität und realgaslichen Phänomenen (thermische Ausdehnungskoeffizienten, die mit Druck variieren, Phasenübergänge); außerdem zwischen Benennungsgewohnheiten (Charles vs. Gay-Lussac) bezüglich der Aussagen bei konstantem P vs. konstantem V.

Synthese

Das Charles'sche Gesetz besagt, dass für eine feste Menge idealen Gases bei konstantem Druck das Volumen linear mit der absoluten Temperatur skaliert und so eine direkte makroskopische Verbindung zwischen thermischer Energie und volumetrischer Reaktion in der isobaren idealgasgrenze herstellt.