Ein Ausschnitt aus einem Stück Eisen in einem Tiegel, Atom für Atom simuliert. Die Atome hängen nur über ihre Bindungskräfte aneinander. Stell die Temperatur ein und sieh zu, wie aus Stillstand ein Zittern wird, dann eine Schmelze, dann Dampf und schließlich ein Plasma aus Ionen und freien Elektronen.
Die Werte gelten für echtes Eisen (56 u) bei der gemessenen Temperatur: E = 3/2·kB·T Bewegungsenergie pro Teilchen. Im Festkörper steckt noch einmal gleich viel als Federenergie in den Bindungen, daraus folgt die Dulong-Petit-Regel.
Simulation Maxwell-Boltzmann-Verteilung bei dieser Temperatur. Temperatur ist ein Mittelwert: einzelne Atome sind deutlich schneller oder langsamer. Die schnellsten verlassen die Schmelze zuerst.
Fest: Jedes Atom sitzt in einer Mulde, die seine Nachbarn bilden. Wärmeenergie ist die Bewegung darin, also Bewegungsenergie plus die Energie in gedehnten und gestauchten Bindungen. Weil alle Atome gekoppelt sind, laufen die Schwingungen als Gitterwellen (Phononen) durch den Kristall. „Stoß von links“ bei tiefer Temperatur macht eine solche Welle sichtbar.
Flüssig: Ab etwa 10–15 % Schwingungsweite des Atomabstands bricht die Fernordnung zusammen (Lindemann-Kriterium). Die Atome halten noch zusammen, gleiten aber aneinander vorbei. Die Schwerkraft hält die Schmelze im Tiegel.
Gasförmig: Die schnellsten Atome aus dem Ausläufer der Verteilung reißen sich von der Oberfläche los. Dafür braucht es die Verdampfungswärme, deshalb kocht es eine Weile, bevor alles Dampf ist.
Plasma: Stöße werden so heftig, dass sie Elektronen aus der Atomhülle schlagen (Ionisierungsenergie von Eisen: 7,9 eV). Übrig bleiben Fe⁺-Ionen und ein Gas aus freien Elektronen. Fängt ein Ion ein Elektron wieder ein, wird Licht frei. Die Ionisierung folgt der Saha-Gleichung für 1 bar: rund 2 % bei 6.000 K, 60 % bei 10.000 K.