In un periodo di secoli e attraverso molteplici esperimenti, fisici e chimici sono stati in grado di mettere in relazione le caratteristiche chiave di un gas, incluso il volume che occupa (V) e la pressione che esercita sul suo involucro (P), alla temperatura (T). La legge del gas ideale è una distillazione dei loro risultati sperimentali. Dichiara che PV = nRT, dove n è il numero di moli del gas e R è una costante chiamata costante universale del 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 all'aumentare della temperatura.

TL; DR (Troppo lungo, non letto)

Quando riscaldi un gas, sia la sua pressione di vapore che il suo volume occupa un aumento. Le singole particelle di gas diventano più energetiche e la temperatura del gas aumenta. A temperature elevate, il gas si trasforma in plasma.

Pentole a pressione e palloncini

Una pentola a pressione è un esempio di ciò che accade quando riscaldate un gas (vapore acqueo) confinato in un volume fisso . All'aumentare della temperatura, la lettura sul manometro sale fino a quando il vapore acqueo inizia a fuoriuscire attraverso la valvola di sicurezza. Se la valvola di sicurezza non fosse lì, la pressione continuerebbe ad aumentare e danneggerebbe o scopperebbe la pentola a pressione.

Quando aumenti la temperatura di un gas in un pallone, la pressione aumenta, ma questo serve solo a allungare il palloncino e aumentare il volume. Mentre la temperatura continua a salire, il pallone raggiunge il suo limite elastico e non può più espandersi. Se la temperatura continua a salire, la pressione crescente fa scoppiare il palloncino.

Il calore è energia

Un gas è una raccolta di molecole e atomi con energia sufficiente a sfuggire alle forze che li uniscono in lo 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 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 fosse lì, l'energia extra li indurrebbe a volare traiettorie più grandi, aumentando efficacemente il volume che occupano.

L'aggiunta di energia termica ha anche un effetto microscopico sulle particelle che costituiscono un gas come così come sul comportamento macroscopico del gas nel suo complesso. Non solo l'energia cinetica di ogni particella aumenta, ma anche le sue vibrazioni interne e le velocità di rotazione dei suoi elettroni. Entrambi gli effetti, combinati con l'aumento dell'energia cinetica, rendono il gas più caldo.

Dal gas al plasma

Un gas diventa sempre più energetico e più caldo quando la temperatura aumenta fino a quando, ad un certo punto diventa un plasma Ciò si verifica a temperature che si verificano sulla superficie del sole, circa 6.000 gradi Kelvin (10.340 gradi Fahrenheit). L'alta energia termica elimina gli elettroni dagli atomi del 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 a raggrupparsi insieme. A causa di questo comportamento peculiare, molti scienziati considerano un plasma come un quarto stato della materia.