Sisältö
Fyysikot ja kemistit ovat vuosisatojen ajan ja useiden kokeilujen avulla pystyneet yhdistämään kaasun tärkeimmät ominaisuudet, mukaan lukien sen käyttämän tilavuuden (V) ja sen koteloon kohdistaman paineen (P) lämpötilaan (T). Ihanteellinen kaasulaki on heidän kokeellisten havaintojensa tislaus. Siinä todetaan, että PV = nRT, missä n on kaasun moolimäärä ja R on vakio, jota kutsutaan yleiseksi kaasuvakioksi. Tämä suhde osoittaa, että kun paine on vakio, tilavuus kasvaa lämpötilan kanssa ja kun tilavuus on vakio, paine kasvaa lämpötilan mukana. Jos kumpikaan ei ole kiinteä, molemmat nousevat lämpötilan noustessa.
TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
Lämmitettäessä kaasua sekä sen höyrynpaine että sen käyttämä tilavuus kasvavat. Yksittäisistä kaasuhiukkasista tulee energisiä ja kaasun lämpötila nousee. Korkeissa lämpötiloissa kaasu muuttuu plasmaksi.
Painekattilat ja ilmapallot
Painekattila on esimerkki siitä, mitä tapahtuu, kun lämmität kiinteään tilavuuteen rajoitettua kaasua (vesihöyryä). Lämpötilan noustessa painemittarin lukema nousee siihen asti, kunnes vesihöyry alkaa karkaa turvaventtiilin läpi. Jos turvaventtiiliä ei olisi siellä, paine kasvaa jatkuvasti ja vaurioittaa tai räjähtää painekattilan.
Kun nostat ilmapalloissa olevan kaasun lämpötilaa, paine kasvaa, mutta tämä palvelee vain palloa venyttämään ja lisäämään tilavuutta. Lämpötilan noustessa edelleen ilmapallo saavuttaa kimmoisuusrajansa eikä voi enää laajentua. Jos lämpötila nousee jatkuvasti, kasvava paine räjäyttää ilmapallo.
Lämpö on energiaa
Kaasu on kokoelma molekyylejä ja atomeja, joilla on tarpeeksi energiaa paeta voimista, jotka sitovat ne yhteen nestemäisessä tai kiinteässä tilassa. Kun suljet kaasun säiliöön, hiukkaset törmäävät toistensa kanssa ja säiliön seinämien kanssa. Törmäysten yhteinen voima kohdistaa painetta säiliön seiniin. Kun lämmität kaasua, lisäät energiaa, joka lisää hiukkasten kineettistä energiaa ja niiden paineeseen säiliöön kohdistamaa painetta. jos säiliö viipyisi siellä, ylimääräinen energia indusoisi heitä lentämään suurempia ratoja, lisäämällä käytännössä tilavuuttaan.
Lämpöenergian lisäämisellä on myös mikroskooppinen vaikutus kaasua muodostaviin hiukkasiin sekä koko kaasun makroskooppiseen käyttäytymiseen.Kunkin hiukkasen kineettinen energia ei vain kasva, vaan myös sen sisäiset värähtelyt ja sen elektronien pyörimisnopeudet lisääntyvät. Molemmat vaikutukset yhdessä kineettisen energian lisääntymisen kanssa tekevät kaasusta tunteen kuumemmalta.
Kaasusta plasmaan
Kaasusta tulee yhä energinen ja kuumempi lämpötilan noustessa, kunnes siitä tulee tietyssä vaiheessa plasma. Tämä tapahtuu lämpötiloissa, joita esiintyy auringon pinnalla, noin 6000 astetta kelviniä (10 340 astetta Fahrenheit). Korkea lämpöenergia poistaa elektroneja kaasun atomeista, jättäen neutraalien atomien, vapaiden elektronien ja ionisoituneiden hiukkasten seoksen, joka tuottaa sähkömagneettisia voimia ja vastaa niihin. Sähkövarausten vuoksi hiukkaset voivat virtata yhteen kuin neste, ja myös niillä on taipumus kutistua yhteen. Tämän erikoisen käyttäytymisen takia monet tutkijat pitävät plasmaa neljäntenä aineena.