Under en period av århundraden och genom flera experiment har fysiker och kemister kunnat relatera nyckeln egenskaper hos en gas, inklusive volymen den upptar (V) och trycket den utövar på dess inneslutning (P), för att temperatur (T). Den ideala gaslagen är en destillation av deras experimentella resultat. Den säger att PV = nRT, där n är antalet mol av gasen och R är en konstant som kallas universalgaskonstanten. Detta förhållande visar att, när trycket är konstant, ökar volymen med temperaturen, och när volymen är konstant, ökar trycket med temperaturen. Om inget av dessa är fixerat ökar de båda med ökande temperatur.
TL; DR (för lång; Läste inte)
När du värmer en gas ökar både ångtrycket och volymen den upptar. De enskilda gaspartiklarna blir mer energiska och gasens temperatur ökar. Vid höga temperaturer blir gasen till en plasma.
Tryckkokare och ballonger
En tryckkokare är ett exempel på vad som händer när du värmer en gas (vattenånga) begränsad till en fast volym. När temperaturen stiger ökar avläsningen på manometern med den tills vattenångan börjar släppa ut genom säkerhetsventilen. Om säkerhetsventilen inte var där skulle trycket fortsätta öka och skada eller spricka tryckkokaren.
När du ökar temperaturen på en gas i en ballong ökar trycket, men detta tjänar bara till att sträcka ut ballongen och öka volymen. När temperaturen fortsätter att stiga når ballongen sin elastiska gräns och kan inte längre expandera. Om temperaturen fortsätter att stiga spränger det ökande trycket ballongen.
Värme är energi
En gas är en samling molekyler och atomer med tillräckligt med energi för att undkomma de krafter som binder dem samman i flytande eller fast tillstånd. När du stänger in en gas i en behållare kolliderar partiklarna med varandra och med behållarens väggar. Kollisionernas kollektiva kraft utövar tryck på containerväggarna. När du värmer gasen lägger du till energi, vilket ökar partiklarnas kinetiska energi och trycket de utövar på behållaren. om containern inte var där skulle den extra energin få dem att flyga större banor, vilket effektivt ökar volymen de upptar.
Tillsatsen av värmeenergi har också en mikroskopisk effekt på partiklarna som utgör en gas såväl som på det makroskopiska beteendet hos gasen som helhet. Inte bara ökar den kinetiska energin för varje partikel, utan dess inre vibrationer och elektronernas rotationshastigheter gör det också. Båda effekterna i kombination med ökningen av kinetisk energi gör att gasen känns varmare.
Från gas till plasma
En gas blir alltmer energisk och varmare när temperaturen stiger tills den vid en viss tidpunkt blir ett plasma. Detta inträffar vid temperaturer som förekommer på solens yta, cirka 6000 grader Kelvin (10 340 grader Fahrenheit). Den höga värmeenergin avlägsnar elektronerna från atomerna i gasen och lämnar en blandning av neutrala atomer, fria elektroner och joniserade partiklar som genererar och reagerar på elektromagnetiska krafter. På grund av de elektriska laddningarna kan partiklarna flöda tillsammans som om de vore en vätska, och de tenderar också att klumpas ihop. På grund av detta märkliga beteende anser många forskare att ett plasma är ett fjärde tillstånd av materia.