Relation empirique selon laquelle, pour une quantité fixe de gaz à pression constante, le volume est directement proportionnel à sa température absolue, souvent écrite V/T = constante (avec T en Kelvin).

Principe

À pression et nombre de moles constants, chauffer un gaz augmente l'énergie cinétique moyenne moléculaire et donc son volume de sorte que V/T reste constant dans l'approximation idéale ; la loi décrit l'expansion thermique des gaz en conditions isobares.

Démonstration

Chauffer un ballon d'hélium à pression ambiante fait augmenter son volume approximativement linéairement avec la température mesurée en Kelvin ; expérimentalement, mesurer V à plusieurs T et tracer V en fonction de T donne une droite qui, extrapolée au zéro absolu sous hypothèse idéale, passe par l'origine.

Mauvaise application

Employer les degrés Celsius au lieu du Kelvin, extrapoler la relation linéaire en dessous des températures où le gaz se liquéfie, ou supposer la loi valable lorsque la pression ne peut être maintenue constante (ex. récipient rigide scellé).

Conséquence

Fournit une méthode simple pour relier changements thermiques et expansion volumique à pression constante, soutient la définition et la mesure des échelles de température absolue et sous-tend des dispositifs pratiques comme le thermomètre à gaz.

Inversion

Le contraire est la loi de Gay-Lussac/loi de la pression : à volume et quantité constants, la pression est proportionnelle à la température ; inverser le processus (refroidissement à P constante) réduit le volume jusqu'aux limites de non-idéalité ou de changement de phase.

Limite

Valable pour des gaz idéaux ou suffisamment dilués à des pressions où il n'y a pas de condensation et lorsque la pression est maintenue constante ; exclut les régimes avec changements de phase, réactions chimiques ou comportements non idéaux significatifs.

Tension sémantique

Tension entre la proportionnalité linéaire V–T idéale et les phénomènes des gaz réels (coefficients d'expansion thermique variant avec la pression, transitions de phase) ; aussi entre les conventions de dénomination (Charles vs Gay-Lussac) concernant les énoncés à P constante vs V constante.

Synthèse

La loi de Charles affirme que pour une quantité fixe de gaz idéal à pression constante, le volume varie linéairement avec la température absolue, établissant un lien macoscopique direct entre l'énergie thermique et la réponse volumique dans la limite isobare du gaz parfait.