กฎของแก๊ส

กฎของแก๊ส (Gas laws) พัฒนาขึ้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 18 เมื่อนักวิทยาศาสตร์เริ่มตระหนักว่าสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างความดัน () ปริมาตร () และอุณหภูมิ () ของแก๊สตัวอย่าง ซึ่งจะเป็นค่าประมาณสำหรับแก๊สทั้งหมด สำหรับรายละเอียดของกฎข้างต้นและกฎอื่น ๆ จะได้อธิบายข้างล่างนี้

**กฎของบอยล์**
ในปี 1662 โรเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและความดันของแก๊สที่มีปริมาณและอุณหภูมิคงตัว เขาสังเกตว่าปริมาตรของแก๊สที่มีมวลหนึ่ง ๆ แปรผกผันกับความดันของแก๊ส กฎของบอยล์ตีพิมพ์ในปี 1662 กล่าวว่า หากอุณหภูมิคงตัว ผลคูณของความดันและปริมาตรของแก๊สอุดมคติที่มีมวลหนึ่ง ๆ ในระบบปิดเป็นค่าคงตัวเสมอ สามารถยืนยันได้โดยการทดลองใช้เครื่องวัดความดันและภาชนะที่มีปริมาตรไม่คงตัว และยังหาได้จากทฤษฎีจลน์ของแก๊ซ เมื่อลดปริมาตรภาชนะที่มีจำนวนโมเลกุลที่แน่นอนอยู่ภายใน ทำให้โมเลกุลชนกับพื้นผิวของภาชนะมากขึ้นต่อหน่วยเวลา ส่งผลให้ความดันเพิ่มขึ้น 
กฎของบอยล์เป็นดังต่อนี้ปริมาตรของแก๊สที่มีมวลหนึ่ง ๆ แปรผกผันกับความดันเมื่ออุณหภูมิคงตัวแสดงความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ดังสมการ 
 
หมายความว่า ปริมาตรแปรผกผันกับความดัน หรือ
 
หมายความว่า ความดันแปรผกผันกับปริมาตร หรือ
 
หมายความว่า ผลคูณของความดันและปริมาตรของแก๊สเท่ากับค่าคงตัว
ดังนั้น
 
เมื่อ-  คือ ความดัน-  คือ ปริมาตร-  คือ ค่าคงตัวในสมการนี้ (ไม่เท่ากันกับค่าคงตัวของสมการอื่นในบทความนี้)

**กฎของชาร์ล**
กฎของชาร์ลค้นพบในปี 1787 โดยฌัก อาแล็กซ็องดร์ เซซาร์ ชาร์ล (Jacques Alexandre César Charles) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส กล่าวว่า แก๊สอุดมคติที่มีมวลหนึ่ง ๆ ในความดันคงตัว ปริมาตรจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สนั้น ๆ ในระบบปิด
กฎของชาร์ลเป็นดังต่อไปนี้ปริมาตรของแก๊สที่มีมวลหนึ่ง ๆ ในความดันคงตัวจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิแสดงความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ดังสมการ
  
หรือ
 
ดังนั้น
 
เมื่อ-  คือ ปริมาตร-  คือ อุณหภูมิ (K)-  คือ ค่าคงตัวในสมการนี้ (ไม่เท่ากันกับค่าคงตัวของสมการอื่นในบทความนี้)

**กฎของแก-ลูว์ซัก**
กฎของแก-ลูว์ซัก (บางครั้งเขียนว่ากฎของเก-ลัสแซกหรือกฎของเกย์ลูสแซก) ค้นพบโดยโฌแซ็ฟ หลุยส์ แก-ลูว์ซัก (Joseph Louis Gay-Lussac) นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวฝรั่งเศสในปี 1808 กล่าวว่า แก๊สอุดมคติที่มีมวลหนึ่ง ๆ และมีปริมาตรคงตัว ความดันที่กระทำต่อภาชนะจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์
แสดงความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ดังสมการ
 
หรือ
 
ดังนั้น
 
เมื่อ-  คือ ความดัน-  คือ อุณหภูมิ (K)-  คือ ค่าคงตัวในสมการนี้ (ไม่เท่ากันกับค่าคงตัวของสมการอื่นในบทความนี้)

**กฎของอโวกาโดร**
กฎของอโวกาโดรสันนิษฐานว่าค้นพบเมื่อปี 1811 กล่าวว่า หากอุณหภูมิและความดันคงตัว ปริมาตรของแก็สอุดมคติจะแปรผันตรงกับจำนวนโมเลกุลของแก๊สในภาชนะ นำมาสู่ปริมาตรโมลาร์ของแก๊สที่ STP (273.1 K, 1 atm) ประมาณ 22.4 L
แสดงความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ดังสมการ
 
หรือ
 
เมื่อ-  คือ ปริมาตร-  คือ จำนวนโมเลกุลของแก๊ส (หรือจำนวนโมลของแก๊ส)

**กฎรวมแก๊สและกฎของแก๊สอุดมคติ**
จากกฎทั้งสามกฎข้างต้น นำมารวมได้เป็นกฎรวมแก๊ส ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ ของแก๊สที่มีมวล (ปริมาณ) คงตัว ดังสมการ
 
หรือเขียนได้อีกแบบหนึ่งว่า
 
อาศัยกฎของอาโวกาโดร สามารถเปลี่ยนกฎรวมแก๊สให้เป็นกฎของแก๊สอุดมคติหรือกฎแก๊สสมบูรณ์ ดังสมการ
 
เมื่อ-  คือ ความดัน (Pa)-  คือ ปริมาตร (m2)-  คือ จำนวนโมลของแก๊ส-  คือ ค่าคงตัวสากลของแก๊ส (8.3144598 kPa∙L∙mol−1∙K−1)-  คือ อุณหภูมิ (K)
สูตรที่เหมือนกับกฎนี้คือ
 
เมื่อ-  คือ ความดัน (Pa)-  คือ ปริมาตร (m2)-  คือ จำนวนโมเลกุลของแก๊ส-  คือ ค่าคงตัวของโบลต์ซมันน์ (1.381×10−23 J∙K−1)-  คือ อุณหภูมิ (K)
สมการเหล่านี้ใช้สำหรับแก๊สอุดมคติอยู่ในสภาวะที่สมมติขึ้นมา ซึ่งไม่ได้พิจารณาปรากฏการณ์ระหว่างโมเลกุล (ดูแก๊สจริง) กฎเหล่านี้จึงไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมที่แท้จริงของแก๊สจริงได้ อย่างไรก็ตาม กฎของแก๊สอุดมคติเป็นการประมาณที่ดีสำหรับแก๊สส่วนมากภายใต้ความดันและอุณภูมิที่พอดี
กฎนี้ส่งผลกระทบที่สำคัญ ดังนี้
# หากอุณหภูมิและความดันของแก๊สคงตัว ปริมาตรจะแปรผันตรงกับจำนวนโมเลกุลของแก๊ส
# หากอุณหภูมิและปริมาตรของแก๊สคงตัว ความดันจะแปรผันตรงกับจำนวนโมเลกุลของแก๊ส
# หากจำนวนโมเลกุลและอุณหภูมิของแก๊สคงตัว ความดันจะแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊ส
# หากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงแต่จำนวนโมเลกุลของแก๊สยังคงตัว ความดันและ/หรือปริมาตรของแก๊สจะแปรผกผันกับอุณหภูมิ

**กฎอื่น ๆ ของแก๊ส**

**กฎการแพร่ของแกรห์ม**
อัตราการแพร่ของโมเลกุลของแก๊สแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่นของแก๊ส ณ อุณหภูมิคงตัว นำมารวมกับกฎของอโวกาโดรเนื่องจากปริมาตรเท่ากันจะมีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน นั่นคืออัตราการแพร่จะแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุล
ดังนั้น
เมื่อ-  คือ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊ส 1-  คือ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊ส 2-  คือ มวลโมลาร์ของแก๊ส 1-  คือ มวลโมลาร์ของแก๊ส 2

**กฎความดันย่อยของดอลตัน**
หากแก๊สแต่ละชนิดและแก๊สผสมอยู่ในอุณหภูมิและปริมาตรเดียวกัน ความดันของแก๊สผสมคือผลรวมของความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิด ดังนี้
เมื่อ-  คือ ความดันรวมของแก๊สผสม-  คือ ความดันย่อยหรือความดันของแก๊สแต่ละชนิดในอุณหภูมิและปริมาตรหนึ่ง ๆ

**กฎความดันย่อยของแอมะแกต**
หากแก๊สแต่ละชนิดและแก๊สผสมอยู่ในอุณหภูมิและความดันเดียวกัน ปริมาตรของแก๊สผสมคือผลรวมของปริมาตรย่อยของแต่ละส่วนประกอบ ดังนี้
เมื่อ-  คือ ปริมาตรรวมของแก๊สผสม-  คือ ปริมาตรย่อยหรือปริมาตรของแก๊สแต่ละชนิดในอุณหภูมิและความดันหนึ่ง ๆ

**กฎของเฮนรี**
หากอุณหภูมิคงที่ ปริมาณของแก๊สหนึ่ง ๆ ที่ละลายในของเหลวชนิดและปริมาตรหนึ่ง ๆ จะแปรผันตรงกับความดันย่อยของแก๊สในสภาวะสมดุลที่อยู่ในของเหลวนั้น

**กฎของแก๊สจริง**
คิดค้นในปี 1873 โดย Johannes Diderik van der Waals

**อ้างอิง**
  isbn=0-03-056537-5-  isbn=1-59257-101-8-  isbn=0-395-83995-5
หมวดหมู่:กฎของแก๊ส
หมวดหมู่:แก๊ส