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Durante um período de séculos e através de várias experiências, físicos e químicos puderam relacionar as principais características de um gás, incluindo o volume que ocupa (V) e a pressão que exerce sobre seu compartimento (P), com a 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 mols do gás e R é uma constante chamada constante de gás universal. 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 deles é fixo, ambos aumentam com o aumento da temperatura.
TL; DR (muito longo; não leu)
Quando você aquece um gás, sua pressão de vapor e o volume que ele ocupa aumentam. As partículas individuais de gás ficam 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 de água) confinado a um volume fixo. À medida que a temperatura aumenta, a leitura no manômetro sobe até que o vapor de 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 serve apenas para esticar o balão e aumentar o volume. À medida que a temperatura aumenta, o balão atinge seu limite elástico e não pode mais se expandir. Se a temperatura continuar subindo, a pressão crescente explode 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 coloca 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. Quando você aquece o gás, você adiciona energia, o que aumenta a energia cinética das partículas e a pressão que elas exercem sobre o recipiente. se o contêiner não estivesse lá, a energia extra os induziria a fazer trajetórias maiores, aumentando efetivamente o volume que eles 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 se torna cada vez mais energético e mais quente à medida que a temperatura sobe até que, em um determinado momento, ele 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 no gás, deixando uma mistura de átomos neutros, elétrons livres e partículas ionizadas que geram e respondem a forças eletromagnéticas. Devido às cargas elétricas, as partículas podem fluir juntas como se fossem um fluido e também tendem a se agrupar. Devido a esse comportamento peculiar, muitos cientistas consideram o plasma um quarto estado da matéria.