Un globo aerostático no lleva ni motor ni alas — vuela únicamente porque el aire atrapado dentro de su envoltura está más caliente, y por tanto es menos denso, que el aire exterior. Es la ley de Charles haciendo un trabajo real y sustentador, no solo un diagrama de libro de texto: caliente un gas a presión (aproximadamente) constante, y su volumen debe aumentar.
Núcleo GCSE
La regla, y por qué debe ser cierta
La ley de Charles establece que para una masa fija de gas a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura medida en kelvin — duplique la temperatura absoluta, y el volumen también se duplica. El razonamiento subyacente viene de la teoría cinética: calentar un gas hace que sus partículas se muevan más rápido en promedio, así que golpean las paredes de su contenedor con más fuerza y frecuencia. Si el contenedor es libre de expandirse — un globo, o un pistón con un peso fijo encima — esta mayor fuerza de colisión empuja ese límite hacia afuera hasta que la presión vuelve a coincidir con la presión externa constante, lo cual solo ocurre una vez que el gas ocupa un volumen mayor.
El peso sobre el pistón mantiene la presión constante. A medida que se calienta el gas, las partículas se mueven más rápido y golpean más fuerte — el pistón debe subir, aumentando el volumen, para que la presión vuelva a coincidir.
Por qué debe ser en kelvin, no en Celsius
La proporcionalidad directa solo funciona en una escala de temperatura absoluta, una escala donde cero realmente significa cero — ningún movimiento de partículas en absoluto. El Celsius tiene un punto cero arbitrario (el punto de congelación del agua), así que duplicar una temperatura en Celsius no duplica cuán enérgicamente se mueven realmente las partículas; duplicar una temperatura en kelvin sí lo hace. Históricamente, esto es más que una mera conveniencia: las propias mediciones de Jacques Charles del siglo XVIII del volumen de gas frente a la temperatura, extrapoladas como una línea recta hasta el punto donde el volumen alcanzaría teóricamente cero, dieron una de las primeras estimaciones utilizables del cero absoluto — décadas antes de que nadie pudiera acercarse a él en laboratorio.
El volumen frente a la temperatura en kelvin es una línea recta que pasa por el origen. Extrapolar mediciones reales hasta V = 0 es exactamente cómo se estimó por primera vez el cero absoluto, mucho antes de que fuera posible alcanzarlo experimentalmente.
Pregunta tipo examen
Un globo contiene 2,4 dm³ de aire a 15 °C. Se deja bajo la luz solar directa y se calienta hasta 45 °C a presión constante. Calcula el nuevo volumen. [3 puntos]
Mostrar respuesta modelo y desglose de puntos
- Convierte a kelvin: T₁ = 15 + 273 = 288 K, T₂ = 45 + 273 = 318 K (1 punto)
- Aplica la ley de Charles: V₁/T₁ = V₂/T₂, así que V₂ = V₁ × T₂/T₁ (1 punto)
- V₂ = 2,4 × 318/288 ≈ 2,65 dm³ (1 punto)
Lo que valora el examinador: convierte ambas temperaturas a kelvin antes de sustituir — esa es exactamente la razón por la que la ley necesita una escala absoluta, no los valores ordinarios en Celsius.
Error frecuente: sustituir 15 y 45 directamente en la razón sin convertir a kelvin, lo que daría una respuesta incorrecta ya que Celsius no es una verdadera escala de razón (duplicar los °C no duplica la energía térmica real).
Una confusión común que vale la pena aclarar
Es fácil recurrir a la ley de Charles para explicar por qué un balón de fútbol se siente más blando en una mañana fría, pero eso es en realidad una ley de gases diferente: el volumen del balón apenas cambia (la envoltura es bastante rígida), así que es la presión la que cae a volumen casi constante — esa es la ley de presión, no la ley de Charles. El globo aerostático y el globo de fiesta que se encoge son los verdaderos casos de presión constante, ya que ambos son libres de cambiar de volumen en vez de estar rígidamente restringidos. Distinguir las leyes de los gases según qué cantidad realmente se mantiene constante, en vez de qué ejemplo parece similar, es exactamente el tipo de cosa fácil de confundir bajo presión de examen. Si las leyes de los gases u otros temas de física GCSE y A-Level necesitan explicarse con el mecanismo real en vez de una fórmula para memorizar, eso es exactamente para lo que sirve nuestra clase particular de física GCSE — vea el camino de aprendizaje completo aquí.
Preguntas frecuentes
¿Por qué necesita un globo aerostático que la llama funcione constantemente, no solo una vez?
El calor se escapa constantemente a través de la tela del globo hacia el aire más frío exterior, así que el aire interior se enfriaría y contraería gradualmente (la ley de Charles funcionando a la inversa) sin calentamiento continuo. El quemador no supera una resistencia puntual — reemplaza continuamente el calor que se pierde constantemente, para mantener el aire interior a la temperatura más alta que el globo necesita para permanecer flotando.
¿Es esta la misma razón por la que un globo se encoge fuera en un día frío?
Sí, exactamente — un globo de fiesta llevado afuera en un día frío se encoge visiblemente porque el aire interior se enfría y contrae a presión (atmosférica) casi constante, exactamente lo que predice la ley de Charles. Tráigalo de vuelta a una habitación cálida y se expande de nuevo, sin necesitar nunca volver a inflarse, lo cual es realmente una buena forma de ver la ley ocurriendo en tiempo real.
¿Se aplica la ley de Charles a cualquier gas, o solo al aire?
Se aplica a cualquier gas que se comporte de forma cercana a «ideal» — lo que hacen la mayoría de los gases a temperaturas y presiones ordinarias, incluido el aire. Empieza a fallar para gases a muy alta presión o muy cerca de la temperatura en la que se condensarían en líquido, donde las suposiciones simplificadoras detrás del modelo de gas ideal dejan de cumplirse bien.
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Sobre el autor
Sudershan Soni
Fundador y tutor principal en Mostak Services — tutor de matemáticas, ciencias, informática y STEM titulado con máster, con más de 20 años de experiencia profesional, enseñando a alumnos desde el 11+ y el GCSE hasta el A-Level y más allá, en línea en todo el mundo.
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