Relación empírica de que, para una cantidad fija de gas a presión constante, el volumen es directamente proporcional a su temperatura absoluta, expresado a menudo como V/T = constante (con T en Kelvin).

Principio

A presión y número de moles constantes, calentar un gas incrementa su energía cinética media molecular y por tanto su volumen, de modo que V/T permanece constante en la aproximación ideal; la ley codifica el comportamiento de expansión térmica en condiciones isobáricas.

Demostración

Calentar un globo lleno de helio a presión ambiente hace que su volumen aumente aproximadamente de forma lineal con la temperatura medida en Kelvin; experimentalmente, medir volumen a varias temperaturas y trazar V frente a T da una línea recta que extrapolada al cero absoluto (en la idealización) pasa por el origen.

Aplicación incorrecta

Usar grados Celsius en lugar de Kelvin, extrapolar la linealidad por debajo de las temperaturas en las que el gas se licua, o asumir la validez de la ley cuando la presión no puede mantenerse constante (p. ej., recipiente rígido sellado).

Consecuencia

Proporciona un método sencillo para relacionar cambios térmicos con expansión volumétrica a presión constante, apoya la definición y medición de escalas de temperatura absoluta y sustenta dispositivos prácticos como el termómetro de gas.

Inversión

La vista inversa es la ley de Gay-Lussac/ley de la presión: a volumen y cantidad constantes, la presión es proporcional a la temperatura; invertir el proceso (enfriamiento a P constante) reduce el volumen hasta que intervienen límites de no idealidad o cambio de fase.

Límite

Válida para gases ideales o suficientemente diluidos a presiones donde no hay condensación y cuando la presión se mantiene constante; excluye regímenes con cambios de fase, reacciones químicas o comportamiento no ideal significativo.

Tensión semántica

Tensión entre la proporcionalidad lineal V–T ideal y los fenómenos de gases reales (coeficientes de expansión térmica que varían con la presión, transiciones de fase); también entre las convenciones de nombre (Charles vs Gay-Lussac) respecto a enunciados a P constante vs V constante.

Síntesis

La ley de Charles establece que para una cantidad fija de gas ideal a presión constante, el volumen aumenta linealmente con la temperatura absoluta, proporcionando una conexión macroscópica directa entre energía térmica y respuesta volumétrica en el límite isobárico del gas ideal.