Ao longo de um período de séculos e através de vários experimentos, físicos e químicos foram capazes de relacionar características de um gás, incluindo o volume que ocupa (V) e a pressão que exerce em seu invólucro (P), para temperatura (T). A lei do gás ideal é uma destilação de suas descobertas experimentais. Ele afirma que PV = nRT, onde n é o número de moles do gás e R é uma constante chamada constante universal do gás. Essa relação mostra que, quando a pressão é constante, o volume aumenta com a temperatura e, quando o volume é constante, a pressão aumenta com a temperatura. Se nenhum dos dois for fixo, ambos aumentam com o aumento da temperatura.
TL; DR (muito longo; Não li)
Quando você aquece um gás, tanto sua pressão de vapor quanto o volume que ele ocupa aumentam. As partículas individuais de gás tornam-se mais energéticas e a temperatura do gás aumenta. Em altas temperaturas, o gás se transforma em plasma.
Panelas de pressão e balões
Uma panela de pressão é um exemplo do que acontece quando você aquece um gás (vapor d'água) confinado a um volume fixo. Conforme a temperatura sobe, a leitura no manômetro sobe com ela até que o vapor d'água comece a escapar pela válvula de segurança. Se a válvula de segurança não estivesse lá, a pressão continuaria aumentando e danificaria ou estouraria a panela de pressão.
Quando você aumenta a temperatura de um gás em um balão, a pressão aumenta, mas isso só serve para esticar o balão e aumentar o volume. À medida que a temperatura continua subindo, o balão atinge seu limite elástico e não consegue mais se expandir. Se a temperatura continuar subindo, o aumento da pressão estourará o balão.
Calor é energia
Um gás é uma coleção de moléculas e átomos com energia suficiente para escapar das forças que os unem nos estados líquido ou sólido. Quando você envolve um gás em um recipiente, as partículas colidem umas com as outras e com as paredes do recipiente. A força coletiva das colisões exerce pressão nas paredes do contêiner. Ao aquecer o gás, você adiciona energia, o que aumenta a energia cinética das partículas e a pressão que elas exercem no recipiente. se o contêiner não estivesse lá, a energia extra os induziria a voar em trajetórias maiores, aumentando efetivamente o volume que ocupam.
A adição de energia térmica também tem um efeito microscópico nas partículas que constituem um gás, bem como no comportamento macroscópico do gás como um todo. Não apenas a energia cinética de cada partícula aumenta, mas também suas vibrações internas e as velocidades de rotação de seus elétrons. Ambos os efeitos, combinados com o aumento da energia cinética, tornam o gás mais quente.
Do gás ao plasma
Um gás torna-se cada vez mais energético e mais quente à medida que a temperatura sobe até que, em determinado ponto, se torna um plasma. Isso ocorre em temperaturas que ocorrem na superfície do sol, cerca de 6.000 graus Kelvin (10.340 graus Fahrenheit). A alta energia térmica retira os elétrons dos átomos do gás, deixando uma mistura de átomos neutros, elétrons livres e partículas ionizadas que gera e responde a forças eletromagnéticas. Por causa das cargas elétricas, as partículas podem fluir juntas como se fossem um fluido e também tendem a se agrupar. Por causa desse comportamento peculiar, muitos cientistas consideram o plasma o quarto estado da matéria.