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Über einen Zeitraum von Jahrhunderten und durch mehrere Experimente war es Physikern und Chemikern möglich, Schlüsselmerkmale eines Gases, einschließlich des Volumens, das es einnimmt (V) und des Drucks, den es auf sein Gehäuse ausübt (P), mit der Temperatur (T) in Beziehung zu setzen. Das ideale Gasgesetz ist eine Destillation ihrer experimentellen Ergebnisse. Es besagt, dass PV = nRT, wobei n die Anzahl der Mol des Gases ist und R eine Konstante ist, die als universelle Gaskonstante bezeichnet wird. Diese Beziehung zeigt, dass bei konstantem Druck das Volumen mit der Temperatur zunimmt und bei konstantem Volumen der Druck mit der Temperatur zunimmt. Wenn keines davon feststeht, nehmen beide mit zunehmender Temperatur zu.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Wenn Sie ein Gas erhitzen, nehmen sowohl der Dampfdruck als auch das Volumen zu. Die einzelnen Gaspartikel werden energetischer und die Temperatur des Gases steigt an. Bei hohen Temperaturen verwandelt sich das Gas in ein Plasma.
Schnellkochtöpfe und Luftballons
Ein Schnellkochtopf ist ein Beispiel dafür, was passiert, wenn Sie ein auf ein festes Volumen beschränktes Gas (Wasserdampf) erhitzen. Bei steigender Temperatur steigt der Wert auf dem Manometer so lange an, bis der Wasserdampf durch das Sicherheitsventil entweicht. Wenn das Sicherheitsventil nicht vorhanden wäre, würde der Druck weiter ansteigen und den Schnellkochtopf beschädigen oder platzen lassen.
Wenn Sie die Temperatur eines Gases in einem Ballon erhöhen, erhöht sich der Druck, dies dient jedoch nur dazu, den Ballon zu dehnen und das Volumen zu erhöhen. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, erreicht der Ballon seine Elastizitätsgrenze und kann sich nicht mehr ausdehnen. Wenn die Temperatur weiter steigt, platzt der zunehmende Druck auf den Ballon.
Wärme ist Energie
Ein Gas ist eine Ansammlung von Molekülen und Atomen mit genügend Energie, um den Kräften zu entkommen, die sie im flüssigen oder festen Zustand miteinander verbinden. Wenn Sie ein Gas in einen Behälter einschließen, kollidieren die Partikel miteinander und mit den Wänden des Behälters. Die kollektive Kraft der Kollisionen übt Druck auf die Behälterwände aus. Wenn Sie das Gas erhitzen, fügen Sie Energie hinzu, wodurch die kinetische Energie der Partikel und der Druck, den sie auf den Behälter ausüben, erhöht werden. Wenn der Container nicht da wäre, würde die zusätzliche Energie sie dazu veranlassen, größere Flugbahnen zu fliegen, was das Volumen, das sie einnehmen, effektiv erhöht.
Die Zugabe von Wärmeenergie wirkt sich auch mikroskopisch auf die Partikel aus, die ein Gas bilden, sowie auf das makroskopische Verhalten des Gases als Ganzes aus.Dabei nimmt nicht nur die kinetische Energie jedes Teilchens zu, sondern auch seine inneren Schwingungen und die Rotationsgeschwindigkeiten seiner Elektronen. Beide Effekte sorgen in Kombination mit der Erhöhung der kinetischen Energie dafür, dass sich das Gas heißer anfühlt.
Vom Gas zum Plasma
Ein Gas wird mit steigender Temperatur immer energetischer und heißer, bis es zu einem bestimmten Zeitpunkt zu einem Plasma wird. Dies tritt bei Temperaturen auf, die an der Oberfläche der Sonne auftreten, etwa 6.000 Grad Kelvin (10.340 Grad Fahrenheit). Die hohe Wärmeenergie entzieht den Atomen im Gas die Elektronen und hinterlässt ein Gemisch aus neutralen Atomen, freien Elektronen und ionisierten Partikeln, das elektromagnetische Kräfte erzeugt und auf diese reagiert. Aufgrund der elektrischen Ladungen können die Partikel zusammenfließen, als ob sie eine Flüssigkeit wären, und sie neigen auch dazu, zusammenzuklumpen. Aufgrund dieses besonderen Verhaltens betrachten viele Wissenschaftler ein Plasma als einen vierten Materiezustand.