Über einen Zeitraum von Jahrhunderten und durch mehrere Experimente konnten Physiker und Chemiker wichtige Eigenschaften eines Gases, einschließlich des Volumens, das es einnimmt (V) und des Drucks, den es auf sein Gehäuse ausübt (P), zu Temperatur (T). Das ideale Gasgesetz ist eine Destillation ihrer experimentellen Erkenntnisse. Es besagt, dass PV = nRT, wobei n die Molzahl des Gases ist und R eine Konstante ist, die als universelle Gaskonstante bezeichnet wird. Diese Beziehung zeigt, dass bei konstantem Druck das Volumen mit der Temperatur zunimmt und bei konstantem Volumen der Druck mit der Temperatur zunimmt. Wenn keines von beiden festgelegt ist, nehmen beide mit steigender Temperatur zu.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Wenn Sie ein Gas erhitzen, erhöhen sich sowohl sein Dampfdruck als auch das Volumen, das es einnimmt. Die einzelnen Gasteilchen werden energiereicher und die Temperatur des Gases steigt. Bei hohen Temperaturen verwandelt sich das Gas in ein Plasma.
Schnellkochtöpfe und Ballons
Ein Schnellkochtopf ist ein Beispiel dafür, was passiert, wenn Sie ein auf ein festes Volumen begrenztes Gas (Wasserdampf) erhitzen. Mit steigender Temperatur steigt die Anzeige am Manometer, bis der Wasserdampf durch das Sicherheitsventil entweicht. Ohne das Sicherheitsventil würde der Druck weiter ansteigen und den Schnellkochtopf beschädigen oder platzen.
Wenn Sie die Temperatur eines Gases in einem Ballon erhöhen, erhöht sich der Druck, aber dies dient nur dazu, den Ballon zu dehnen und das Volumen zu vergrößern. Bei weiter steigender Temperatur erreicht der Ballon seine Elastizitätsgrenze und kann sich nicht mehr ausdehnen. Steigt die Temperatur weiter, lässt der steigende Druck den Ballon platzen.
Wärme ist Energie
Ein Gas ist eine Ansammlung von Molekülen und Atomen mit genügend Energie, um den Kräften zu entkommen, die sie im flüssigen oder festen Zustand miteinander verbinden. Wenn Sie ein Gas in einen Behälter einschließen, kollidieren die Partikel miteinander und mit den Wänden des Behälters. Die Kollektivkraft der Kollisionen übt Druck auf die Behälterwände aus. Wenn Sie das Gas erhitzen, fügen Sie Energie hinzu, wodurch die kinetische Energie der Partikel und der Druck, den sie auf den Behälter ausüben, erhöht wird. wäre der Container nicht da, würde die zusätzliche Energie sie dazu veranlassen, größere Flugbahnen zu fliegen, wodurch das Volumen, das sie einnehmen, effektiv vergrößert würde.
Die Zugabe von Wärmeenergie hat auch eine mikroskopische Wirkung auf die ein Gas bildenden Partikel sowie auf das makroskopische Verhalten des Gases insgesamt. Nicht nur die kinetische Energie jedes Teilchens steigt, sondern auch seine inneren Schwingungen und die Rotationsgeschwindigkeit seiner Elektronen. Beide Effekte, kombiniert mit der Erhöhung der kinetischen Energie, bewirken, dass sich das Gas heißer anfühlt.
Vom Gas zum Plasma
Ein Gas wird mit steigender Temperatur immer energiereicher und heißer, bis es an einem bestimmten Punkt zu einem Plasma wird. Dies geschieht bei Temperaturen, die auf der Sonnenoberfläche auftreten, etwa 6.000 Kelvin (10.340 Grad Fahrenheit). Die hohe Wärmeenergie entzieht den Atomen im Gas die Elektronen und hinterlässt eine Mischung aus neutralen Atomen, freien Elektronen und ionisierten Teilchen, die elektromagnetische Kräfte erzeugt und darauf reagiert. Aufgrund der elektrischen Ladungen können die Partikel wie eine Flüssigkeit zusammenfließen und neigen auch zum Verklumpen. Aufgrund dieses eigenartigen Verhaltens betrachten viele Wissenschaftler ein Plasma als einen vierten Aggregatzustand.