Gedurende een periode van eeuwen en door meerdere experimenten hebben natuurkundigen en scheikundigen de sleutel kenmerken van een gas, inclusief het volume dat het inneemt (V) en de druk die het uitoefent op de omhulling (P), om temperatuur (T). De ideale gaswet is een distillatie van hun experimentele bevindingen. Het stelt dat PV = nRT, waarbij n het aantal mol van het gas is en R een constante is die de universele gasconstante wordt genoemd. Deze relatie laat zien dat, wanneer de druk constant is, het volume toeneemt met de temperatuur en wanneer het volume constant is, de druk toeneemt met de temperatuur. Als geen van beide vast is, nemen ze allebei toe met toenemende temperatuur.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Wanneer je een gas verwarmt, neemt zowel de dampdruk als het volume dat het inneemt toe. De afzonderlijke gasdeeltjes worden energieker en de temperatuur van het gas stijgt. Bij hoge temperaturen verandert het gas in een plasma.
Snelkookpannen en ballonnen
Een snelkookpan is een voorbeeld van wat er gebeurt als je een gas (waterdamp) verwarmt tot een vast volume. Naarmate de temperatuur stijgt, gaat de aflezing op de manometer mee omhoog totdat de waterdamp door het veiligheidsventiel begint te ontsnappen. Als de veiligheidsklep er niet was, zou de druk blijven toenemen en zou de snelkookpan beschadigen of barsten.
Wanneer je de temperatuur van een gas in een ballon verhoogt, neemt de druk toe, maar dit dient alleen om de ballon uit te rekken en het volume te vergroten. Naarmate de temperatuur blijft stijgen, bereikt de ballon zijn elastische limiet en kan hij niet meer uitzetten. Als de temperatuur blijft stijgen, barst de ballon door de toenemende druk.
Warmte is energie
Een gas is een verzameling moleculen en atomen met voldoende energie om te ontsnappen aan de krachten die ze in vloeibare of vaste toestand aan elkaar binden. Wanneer je een gas in een container omsluit, botsen de deeltjes met elkaar en met de wanden van de container. De collectieve kracht van de botsingen oefent druk uit op de containerwanden. Wanneer je het gas verwarmt, voeg je energie toe, waardoor de kinetische energie van de deeltjes en de druk die ze uitoefenen op de container toeneemt. als de container er niet was, zou de extra energie hen ertoe aanzetten grotere trajecten te vliegen, waardoor het volume dat ze innemen effectief zou toenemen.
De toevoeging van warmte-energie heeft ook een microscopisch effect op de deeltjes waaruit een gas bestaat en op het macroscopische gedrag van het gas als geheel. Niet alleen neemt de kinetische energie van elk deeltje toe, maar ook de interne trillingen en de rotatiesnelheden van de elektronen. Beide effecten, gecombineerd met de toename van de kinetische energie, zorgen ervoor dat het gas heter aanvoelt.
Van gas naar plasma
Een gas wordt steeds energieker en heter naarmate de temperatuur stijgt, totdat het op een bepaald moment een plasma wordt. Dit gebeurt bij temperaturen die optreden op het oppervlak van de zon, ongeveer 6.000 graden Kelvin (10.340 graden Fahrenheit). De hoge warmte-energie stript de elektronen van de atomen in het gas, waardoor een mengsel van neutrale atomen, vrije elektronen en geïoniseerde deeltjes achterblijft dat elektromagnetische krachten genereert en erop reageert. Door de elektrische lading kunnen de deeltjes samenvloeien alsof ze een vloeistof zijn, en ze hebben ook de neiging om samen te klonteren. Vanwege dit eigenaardige gedrag beschouwen veel wetenschappers een plasma als een vierde toestand van materie.