Nel corso dei secoli e attraverso molteplici esperimenti, fisici e chimici sono stati in grado di mettere in relazione le chiavi caratteristiche di un gas, compreso il volume che occupa (V) e la pressione che esercita sul suo involucro (P), a temperatura (T). La legge dei gas ideali è un distillato dei loro risultati sperimentali. Afferma che PV = nRT, dove n è il numero di moli del gas e R è una costante chiamata costante universale dei gas. Questa relazione mostra che, quando la pressione è costante, il volume aumenta con la temperatura e quando il volume è costante, la pressione aumenta con la temperatura. Se nessuno dei due è fisso, entrambi aumentano con l'aumentare della temperatura.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Quando riscaldi un gas, aumentano sia la sua pressione di vapore che il volume che occupa. Le singole particelle di gas diventano più energiche e la temperatura del gas aumenta. Ad alte temperature, il gas si trasforma in plasma.
Pentole a pressione e palloncini
Una pentola a pressione è un esempio di cosa succede quando si riscalda un gas (vapore acqueo) confinato in un volume fisso. All'aumentare della temperatura, la lettura sul manometro sale con essa fino a quando il vapore acqueo inizia a fuoriuscire attraverso la valvola di sicurezza. Se non ci fosse la valvola di sicurezza, la pressione continuerebbe ad aumentare e danneggerebbe o farebbe scoppiare la pentola a pressione.
Quando si aumenta la temperatura di un gas in un pallone, la pressione aumenta, ma questo serve solo ad allungare il pallone e ad aumentare il volume. Man mano che la temperatura continua ad aumentare, il pallone raggiunge il suo limite elastico e non può più espandersi. Se la temperatura continua a salire, l'aumento della pressione fa scoppiare il palloncino.
Il calore è energia
Un gas è un insieme di molecole e atomi con energia sufficiente per sfuggire alle forze che li legano insieme allo stato liquido o solido. Quando si racchiude un gas in un contenitore, le particelle si scontrano tra loro e con le pareti del contenitore. La forza collettiva delle collisioni esercita una pressione sulle pareti del contenitore. Quando riscaldi il gas, aggiungi energia, che aumenta l'energia cinetica delle particelle e la pressione che esercitano sul contenitore. se il contenitore non ci fosse, l'energia extra li indurrebbe a percorrere traiettorie più grandi, aumentando di fatto il volume che occupano.
L'aggiunta di energia termica ha anche un effetto microscopico sulle particelle che costituiscono un gas nonché sul comportamento macroscopico del gas nel suo insieme. Non solo aumenta l'energia cinetica di ogni particella, ma aumentano anche le sue vibrazioni interne e le velocità di rotazione dei suoi elettroni. Entrambi gli effetti, combinati con l'aumento dell'energia cinetica, fanno sentire il gas più caldo.
Dal gas al plasma
Un gas diventa sempre più energico e più caldo man mano che la temperatura sale fino a diventare, ad un certo punto, un plasma. Ciò si verifica a temperature che si verificano sulla superficie del sole, circa 6.000 gradi Kelvin (10.340 gradi Fahrenheit). L'elevata energia termica strappa gli elettroni agli atomi nel gas, lasciando una miscela di atomi neutri, elettroni liberi e particelle ionizzate che genera e risponde alle forze elettromagnetiche. A causa delle cariche elettriche, le particelle possono fluire insieme come se fossero un fluido e tendono anche ad aggregarsi. A causa di questo comportamento peculiare, molti scienziati considerano il plasma un quarto stato della materia.