В течение столетий и благодаря многочисленным экспериментам физики и химики смогли связать ключевые характеристики газа, включая объем, который он занимает (V), и давление, которое он оказывает на корпус (P), с температурой (T). Закон идеального газа является перегонкой их экспериментальных результатов. В нем говорится, что PV = nRT, где n - число молей газа, а R - постоянная, называемая универсальной газовой постоянной. Это соотношение показывает, что, когда давление постоянное, объем увеличивается с температурой, а когда объем постоянный, давление увеличивается с температурой. Если ни один из них не зафиксирован, они оба увеличиваются с повышением температуры.

Скороварки и воздушные шары

Скороварка является примером того, что происходит, когда вы нагреваете газ (водяной пар), ограниченный фиксированным объемом. Когда температура поднимается, показания манометра увеличиваются, пока пары воды не начинают выходить через предохранительный клапан. Если бы там не было предохранительного клапана, давление продолжало бы увеличиваться и повредило бы или сломало скороварку.

Когда вы увеличиваете температуру газа в баллоне, давление увеличивается, но это только способствует растяжению баллона и увеличению объема. Поскольку температура продолжает расти, шар достигает предела упругости и больше не может расширяться. Если температура продолжает расти, увеличение давления раздувает баллон.

Тепло это энергия

Газ - это совокупность молекул и атомов с достаточным количеством энергии, чтобы избежать сил, которые связывают их вместе в жидком или твердом состояниях. Когда вы помещаете газ в контейнер, частицы сталкиваются друг с другом и со стенками контейнера. Коллективная сила столкновений оказывает давление на стенки контейнера. Когда вы нагреваете газ, вы добавляете энергию, которая увеличивает кинетическую энергию частиц и давление, которое они оказывают на контейнер. если бы контейнера не было, дополнительная энергия побудила бы их летать по большим траекториям, эффективно увеличивая объем, который они занимают.

Добавление тепловой энергии также оказывает микроскопическое воздействие на частицы, которые составляют газ, а также на макроскопическое поведение газа в целом. Увеличивается не только кинетическая энергия каждой частицы, но и ее внутренние колебания и скорости вращения электронов. Оба эффекта, в сочетании с увеличением кинетической энергии, делают газ более горячим.

От газа к плазме

По мере повышения температуры газ становится все более энергичным и горячим, пока в определенный момент он не станет плазмой. Это происходит при температурах, которые происходят на поверхности солнца, около 6000 градусов Кельвина (10,340 градусов по Фаренгейту). Высокая тепловая энергия отрывает электроны от атомов в газе, оставляя смесь нейтральных атомов, свободных электронов и ионизированных частиц, которая генерирует и реагирует на электромагнитные силы. Из-за электрических зарядов частицы могут течь вместе, как если бы они были жидкостью, и они также имеют тенденцию слипаться. Из-за этого специфического поведения многие ученые считают плазму четвертым состоянием материи.