กฎของแก๊สอุดมคติ

กฎของแก๊สอุดมคติ (ideal gas law) บ้างก็เรียกว่า สมการแก๊สทั่วไป เป็นสมการของสภาวะ (equation of state) ของแก๊สอุดมคติ (ideal gas) สมมุติและเป็นการประมาณพฤติกรรมของแก๊สที่ดีภายใต้สภาวะต่าง ๆ แม้ยังมีข้อจำกัดอยู่หลายข้อ ถูกกล่าวถึงเป็นครั้งแรกโดย เบอนัว ปอล เอมีล กลาแปรง ในปี ค.ศ. 1834 เป็นการรวมกันของกฏของบอยล์ (Boyle's law), กฎของชาร์ล (Charles's law), กฎของอาโวกาโดร และกฎของแก-ลูว์ซัก (Gay-Lussac's law) ซึ่งเป็นเชิงประจักษ์ กฎของแก๊สอุดมคติมักถูกเขียนอยู่ในรูปเชิงประจักษ์:
PV = nRT
โดย P, V และ T คือความดัน, ปริมาตร และอุณหภูมิ (Thermodynamic temperature) n คือจำนวนของสสาร (amount of substance) และ R คือค่าคงตัวของแก๊สซึ่งมีค่าเท่าเดิมไม่ว่าเป็นแก๊สชนิดใด เราสามารถอนุพัทธ์สมการนี้ได้จากทฤษฎีจลน์ของแก๊สในระดับจุลทรรศน์ดังเช่นที่ได้กระทำแล้ว (โดยอิสระจากกัน) โดย เอากุสต์ เครอนิค (August Krönig) ในปี ค.ศ. 1856 และ รูด็อล์ฟ เคลาซีอุส ในปี ค.ศ. 1857.
==สมการ==
สภาวะ (state function) ของแก๊สปริมาณหนึ่งถูกกำหนดโดยความดัน, ปริมาตร และอุณหภูมิ สมการรูปแบบปัจจุบันแสดงความสัมพันธ์เหล่านี้เป็นสองรูปแบบอย่างง่าย อุณหภูมิในสมการของสภาวะเป็นอุณหภูมิสัมบูรณ์ซึ่งมีหน่วย SI เป็นเคลวิน
===รูปแบบสามัญ===
รูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุดคือ:
pV = nRT = nk_\text{B}N_\text{A}T,
โดย:
p คือความดันของแก๊ส
V คือปริมาตรของแก๊ส
n คือปริมาณของสสารของแก๊ส (หรือจำนวนโมล)
R คือค่าคงตัวของแก๊สอุดมคติหรือสากลซึ่งเท่ากับผลคูณของค่าคงตัวบ็อลทซ์มันกับค่าคงตัวอาโวกาโดร
k_\text{B} คือค่าคงตัวบ็อลทซ์มัน
N_{A} คือค่าคงตัวอาโวกาโดร
T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊ส
ในหน่วย SI p ถูกวัดเป็นปาสกาล V ถูกวัดเป็นลูกบาศก์เมตร n ถูกวัดเป็นโมล และ T ถูกวัดเป็นเคลวิน (มาตราวัดเคลวินคือมาตราวัดเซลเซียสที่ถูกเลื่อนซึ่งอุณหภูมิที่ต่ำที่สุด 0.00 K = −273.15&nbsp;°C) R มีค่าเท่ากับ 8.314 J/(K·mol) ≈ 2 cal/(K·mol) หรือ 0.0821 l·atm/(mol·K)
===รูปแบบโมลาร์===
เราสามารถระบุปริมาณแก๊สที่มีอยู่ได้จากมวลแทนปริมาณทางเคมีได้ ดังนั้นจึงมีประโยชน์หากเรามีกฎของแก๊สอุดมคติอีกรูปแบบหนึ่ง ปริมาณทางเคมี (n) (หน่วยเป็นโมล) เท่ากับมวลรวมของแก๊ส (m) (หน่วยเป็นกิโลกรัม) หารด้วยมวลโมลาร์ (molar mass) (M) (หน่วยเป็นกิโลกรัมต่อโมล):
n = \frac{m}{M}. 
เมื่อแทน n ด้วย m/M แล้วใส่ความหนาแน่น ρ = m/V ลงไปในสมการ เราจะได้:
pV = \frac{m}{M} RT 
p = \frac{m}{V} \frac{RT}{M} 
p = \rho \frac{R}{M} T 
ให้นิยามค่าคงตัวของแก๊สจำเพาะ Rspecific(r) เป็นอัตราส่วน R/M
p = \rho R_\text{specific}T 
กฎของแก๊สอุดมคติรูปแบบนี้มีประโยชน์อย่างมากมาก เพราะสามารถเชื่อมโยงความดัน ความหนาแน่น และอุณหภูมิเข้าด้วยกันในสูตรที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งไม่พึ่งพาปริมาณของแก๊สที่เราพิจารณา กฎนี้สามารถเขียนเป็นอีกแบบได้โดยใช้ค่าปริมาตรจำเพาะ v ซึ่งเป็นส่วนกลับของความหนาแน่น:
pv = R_\text{specific}T. 
ในการใช้งานทางวิศวกรรมและอุตุนิยมวิทยา ค่าคงตัวของแก๊สจำเพาะมักถูกแทนด้วยสัญลักษณ์ R และค่าคงตัวของแก๊สสากลจะใช้สัญลักษณ์ต่างจากเดิมเป็น \bar R หรือ R^* เพื่อแยกแยะทั้งสองค่าจากกัน อย่างไรก็ตาม บริบทและ/หรือหน่วยของค่าคงตัวของแก๊สจะเป็นตัวบอกให้กระจ่างเองว่าสัญลักษณ์นั้นแทนค่าคงตัวของแก๊สแบบจำเพาะหรือสากล
===กลศาสตร์สถิติ===
ในกลศาสตร์สถิติ (statistical mechanics) เราสามารถอนุพัทธ์หาสมการเชิงโมเลกุลได้จาก p ในสมการแรก
โดย  คือความดันสัมบูรณ์ของแก๊ส,  คือความหนาแน่นเชิงจำนวนของโมเลกุล (กำหนดเป็นอัตราส่วน  =  ซึ่งต่างจากรูปสมการก่อนที่  เป็นจำนวนโมล),  คืออุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ และ  คือค่าคงตัวบ็อลทซ์มันซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและอุณหภูมิ กำหนดว่า:
k_\text{B} = \frac{R}{N_\text{A}} 
โดย  คือค่าคงตัวอาโวกาโดร
จากนี่เราพบว่าแก๊สมวล  มีมวลอนุภาคเฉลี่ยเท่ากับ  คูณค่าคงตัวมวลอะตอม  (หรือเท่ากับ  u) จำนวนของโมเลกุลเท่ากับ:
N = \frac{m}{\mu m_\text{u}}, 
เนื่องจาก  เราจึงสามารถเขียนกฎของแก๊สอุดมคติอีกแบบได้เป็น
P = \frac{1}{V}{N}k_\text{B} T = \frac{1}{V}\frac{m}{\mu m_\text{u}} k_\text{B} T = \frac{k_\text{B}}{\mu m_\text{u}} \rho T. 
ในหน่วย SI  มีหน่วยเป็นปาสกาล,  มีหน่วยเป็นลูกบาศก์เมตร,  มีหน่วยเป็นเคลวิน และ 
===กฎรวมของแก๊ส===
นำกฎของชาร์ล กฏของบอยล์ และกฎของแก-ลูว์ซักมารวมกันแล้วได้กฎรวมของแก๊สซึ่งมีรูปแบบการใช้งานแบบเดียวกับกฎของแก๊สอุดมคติ หากแต่ไม่ระบุจำนวนโมลของแก็สและสมมุติว่าอัตราส่วน PV ต่อ T เป็นค่าคงตัว (nR = k):
\frac{PV}{T}=k,
โดย P คือความดันของแก๊ส, V คือปริมาตรของแก๊ส, T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊ส และ k เป็นค่าคงตัว เมื่อเราต้องการเปรียบเทียบสสารเดียวกันภายใต้สภาวะที่ต่างกันสองสภาวะ สามารถเขียนกฎนี้ได้เป็น
\frac{P_1 V_1}{T_1}= \frac{P_2 V_2}{T_2}. 
== พลังงานซึ่งสัมพันธ์กับแก๊ส ==
ตามสมมติฐานจากทฤษฎีจลน์ของแก๊ส เราสามารถสมมุติได้ว่าโมเลกุลของแก๊สอุดมคตินั้นไม่มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล หรือพูดอีกแบบคือไม่มีพลังงานศักย์ พลังงานทั้งหมดที่แก๊สมีจึงเป็นเพียงพลังงานจลน์ของแก๊สแต่ละโมเลกุล
E=\frac{3}{2} n RT 
คือสูตรสำหรับพลังงานจลน์ของแก็สอะตอมเดี่ยวจำนวน n โมลซึ่งมีองศาเสรี 3 องศา; x, y, z
== การประยุกต์ใช้ในกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ ==
ในตารางด้านล่าง สมการของแก๊สอุดมคติถูกทำให้ง่ายลงสำหรับการนำไปใช้กับกระบวนการเฉพาะต่าง ๆ และทำให้สามารถแก้ปัญหาด้วยวิธีเชิงตัวเลขง่ายยิ่งขึ้น
กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ (thermodynamic process) มีนิยามเป็นระบบซึ่งเคลื่อนจากสภาวะที่ 1 ไปสู่สภาวะที่ 2 โดยเลขซึ่งบอกสภาวะแทนด้วยตัวห้อย โดยกระบวนการพื้นฐานถูกแบ่งออกเป็นแต่ละชนิดตามคุณสมบัติของแก๊สที่ถูกตรึงให้คงที่ไว้ตลอดกระบวนการ (P, V, T, S หรือ H) ดังที่แสดงในสดมภ์แรกของตาราง
จะต้องมีการระบุ (ไม่ว่าโดยตรงหรือโดยอ้อม) หนึ่งในอัตราส่วนระหว่างคุณสมบัติ (ซึ่งมีการจัดรายการไว้ในสดมภ์ที่ชื่อว่า "อัตราส่วนที่รู้จัก") เพื่อระบุขอบเขตของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ชนิดหนึ่ง และคุณสมบัติซึ่งปรากฎอยู่ในอัตราส่วนจะต้องต่างจากคุณสมบัติที่คงที่ (ไม่เช่นนั้นแล้วอัตราส่วนก็จะเป็นเอกภาพ และเราจะไม่มีข้อมูลมากพอที่จะสามารถทำให้สมการง่ายลงได้)
ส่วนในสามสดมภ์สุดท้าย เราสามารถหาค่าของคุณสมบัติ (p, V หรือ T) ของสภาวะที่ 2 ได้จากการนำค่าของคุณสมบัติเหล่านั้นในสภาวะที่ 1 มาคำนวณในสมการซึ่งถูกจัดไว้อยู่ในรายการ
 a. ในกระบวนการเอนโทรปีคงที่ เอนโทรปี (S) ของระบบมีค่าคงที่ และ p1 V1γ = p2 V2γ ภายใต้เงื่อนไขนี้ โดย γ คืออัตราส่วนความร้อนจำเพาะ (heat capacity ratio) ซึ่งในแก๊สสมบูรณ์แบบทางพลังงาน (calorically perfect gas) มีค่าคงที่ ค่าของ γ ที่ปกติใช้กับแก๊สสองอะตอม (diatomic gas) เช่นแก๊สไนโตรเจน (N2) และแก๊สออกซิเจน (O2) (และอากาศ ซึ่งประกอบไปด้วยแก๊สสองอะตอม 99%) มีค่าเท่ากับ 1.4 ส่วนค่าที่ใช้กับแก๊สอะตอมเดี่ยวเช่นแก๊สมีสกุล ฮีเลียม (He) และอาร์กอน (Ar) มีค่าเท่ากับ 1.6 ค่า γ ในเครื่องยนต์เผาไหม้ภายในมีค่าระหว่าง 1.35 และ 1.15 ซึ่งขึ้นกับองค์ประกอบของแก๊สและอุณหภูมิ
 b. ในกระบวนการเอนทาลปีคงที่ เอนทาลปี (H) ของระบบมีค่าคงที่ ในบริบทของการขยายตัวอิสระ (free expansion) ของแก๊สอุดมคติ อุณหภูมิมีค่าคงที่และโมเลกุลไม่มีปฏิกิริยาระหว่างกัน กลับกันในแก๊สจริงนั้น โมเลกุลมีปฏิกิริยาระหว่างกันผ่านการดึงดูดหรือผลักไสขึ้นกับความดันและอุณหภูมิ และสามารถร้อนหรือเย็นลงได้ นี่เป็นที่รู้จักว่าปรากฏการณ์จูล-ทอมสัน (Joule-Thomson effect) สำหรับการอ้างอิง สัมประสิทธิ์จูล-ทอมสัน μJT สำหรับอากาศที่อุณหภูมิห้อง ณ ระดับน้ำทะเลเท่ากับ 0.22&nbsp;°C/bar
==การเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมในอุดมคติของแก๊สจริง==
สมการของสภาวะที่กำหนดมานี้ (PV=nRT) สามารถนำไปใช้กับแก๊สอุดมคติหรือนำไปใช้เพื่อประมาณพฤติกรรมของแก๊สจริงซึ่งมีความคล้ายกับแก๊สอุดมคติพอสมควรได้เท่านั้น ความจริงแล้ว สมการของสภาวะสมการนี้มีรูปแบบอยู่หลายรูปแบบ กฎของแก๊สอุดมคติไม่สนใจขนาดโมเลกุล (molecular size) และแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (inter molecular attraction) จึงสามารถนำไปใช้ได้อย่างแม่นยำที่สุดกับแก๊สอะตอมเดี่ยว (monatomic) ที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ยิ่งความหนาแน่นลดลงหรือยิ่งปริมาตรสูงขึ้นและความดันต่ำลง ความสำคัญของขนาดโมเลกุลก็ยิ่งลดลงเช่นเดียวกัน เพราะระยะทางความห่างระหว่างโมเลกุลโดยเฉลี่ยจะมีค่าสูงกว่าขนาดของโมเลกุลอย่างมาก และยิ่งพลังงานจลน์ทางความร้อนสูงขึ้นหรือยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น ความสำคัญของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลก็ยิ่งลดลงโดยสัมพัทธ์ สมการของสภาวะที่มีรายละเอียดสูงกว่าเช่นสมการวานเดอร์วาลส์ (van der Waals equation) จะมีการแก้ไขการเบี่ยงเบนจากอุดมคติซึ่งเกิดจากขนาดของโมเลกุลและแรงระหว่างโมเลกุล
สมบัติตกค้าง (residual property (physics)) มีนิยามเป็นความแตกต่างระหว่างสมบัติของแก๊สจริง (real gas) และสมบัติของแก๊สอุดมคติภายใต้ความดัน อุณหภูมิ และองค์ประกอบเดียวกัน
== การอนุพัทธ์ ==
===เชิงประจักษ์===
กฎเชิงประจักษ์ซึ่งนำไปสู่การอนุพัทธ์กฎของแก๊สอุดมคติถูกค้นพบผ่านการทดลอง โดยใช้การเปลี่ยนตัวแปรสภาวะของแก๊สเพียงสองอย่างและตรึงตัวแปรที่เหลือให้คงที่
กฎของแก๊สทั้งหมดที่สามารถค้นพบได้ด้วยการจัดเตรียมการทดลองแบบนี้มี:
{PV}=C_1  หรือ P_1V_1=P_2V_2   (1)        เรียกว่ากฏของบอยล์
\frac{V}{T} = C_2  หรือ \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}           (2)        เรียกว่ากฎของชาร์ล
\frac{V}{N}=C_3  หรือ \frac{V_1}{N_1}=\frac{V_2}{N_2}         (3)        เรียกว่ากฎของอาโวกาโดร
\frac{P}{T}=C_4  หรือ \frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2}            (4)        เรียกว่ากฎของแก-ลูว์ซัก
NT=C_5  หรือ N_1T_1=N_2T_2   (5)
\frac{P}{N}=C_6  หรือ \frac{P_1}{N_1}=\frac{P_2}{N_2}         (6)

โดย "P" แทนความดัน, "V" แทนปริมาตร, "N" แทนจำนวนอนุภาคของแก๊ส และ "T" แทนอุณหภูมิ โดย C_1, C_2, C_3, C_4, C_5, C_6  ไม่ใช่ค่าคงตัวของจริง แต่เป็นค่าคงตัวในบริบทนี้ เพราะแต่ละสมการต้องการตัวแปรที่ระบุไว้อย่างชัดเจนให้เปลี่ยนเท่านั้น
เราไม่จำเป็นต้องรู้กฎของแก๊สทั้งหกสูตรเพื่ออนุพัทธ์กฎของแก๊สอุดมคติ เพียงรู้แค่สามกฎเราจะสามารถอนุพัทธ์กฎที่เหลือได้ และเราต้องรู้แค่สี่กฎเพื่อที่จะสามารถอนุพัทธ์กฎของแก๊สอุดมคติได้
ในเมื่อสูตรแต่ละสูตรจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อตัวแปรสภาวะที่อยู่ในสูตรเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงในขณะที่ตัวแปรที่เหลือมีค่าคงที่ เราไม่สามารถใช้พีชคณิตเพื่อรวมสูตรโดยตรงได้ เราต้องพิจารณาถึงการทดลองของบอยล์ว่าเขาทำการทดลองโดยตรึงค่า N และ T ไว้ให้คงที่
เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ เราจำเป็นต้องจินตนาการว่าแก๊สเปลี่ยนสถาวะผ่านกระบวนการทีละกระบวนการเพื่อให้อนุพัทธ์ได้อย่างถูกต้อง การอนุพัทธ์ซึ่งใช้สูตรสี่สูตรเป็นดังนี้:
ในตอนแรก แก๊สมีพารามิเตอร์ P_1,V_1,N_1,T_1 
ให้เริ่มเปลี่ยนเฉพาะความดันและปริมาตรตามกฎของบอยล์ แล้ว:
P_1V_1=P_2V_2     (7) เมื่อจบกระบวนการนี้ แก๊สจะมีพารามิเตอร์เท่ากับ P_2,V_2,N_1,T_1 
จากนั้นใช้สมการที่ (5) เพื่อเปลี่ยนจำนวนอนุภาคและอุณหภูมิของแก๊ส
N_1T_1=N_2T_2   (8) เมื่อจบกระบวนการนี้ แก๊สจะมีพารามิเตอร์เท่ากับ P_2,V_2,N_2,T_2 
จากนั้นใช้สมการที่ (6) เพื่อเปลี่ยนความดันและจำนวนอนุภาค
\frac{P_2}{N_2}=\frac{P_3}{N_3}         (9) เมื่อจบกระบวนการนี้ แก๊สจะมีพารามิเตอร์เท่ากับ P_3,V_2,N_3,T_2 
จากนั้นใช้กฎของชาร์ลเพื่อเปลี่ยนปริมาตรและอุณหภูมิของแก๊ส
\frac{V_2}{T_2}=\frac{V_3}{T_3}         (10) เมื่อจบกระบวนการนี้ แก๊สจะมีพารามิเตอร์เท่ากับ P_3,V_3,N_3,T_3 
จากนั้นใช้พีชคณิตรวมสมการที่ (7), (8), (9) และ (10) จะได้:
\frac{P_1V_1}{N_1T_1}=\frac{P_3V_3}{N_3T_3}  หรือ \frac{PV}{NT}=K_B  โดย K_B  แทนค่าคงตัวบ็อลทซ์มัน
ในทางเดียวกัน ในเมื่อ nR=NK_B  โดย "n" คือจำนวนโมลของแก๊ส และ "R" คือค่าคงตัวของแก๊สสากล เราจะได้:
PV=nRT,  ซึ่งเป็นที่รู้จักในชื่อว่ากฎของแก๊สอุดมคติ
หากเราทำการทดลองและพบสูตรเพียงสามสูตรจากทั้งหกสูตร เราสามารถอนุพัทธ์สูตรที่เหลือได้ผ่านวิธีการที่เขียนอธิบายไว้ด้านบน แต่เพราะแต่ละสมการมีตัวแปรแค่สองตัวเท่านั้น เราไม่สามารถใช้สูตรสามสูตรสูตรใดก็ได้  เช่นหากเรามีสมการที่ (1), (2) และ (4) เราไม่สามารถอนุพัทธ์สมการอื่นได้ เพราะการรวมสมการสองสมการใด ๆ จะให้ผลเป็นสมการอันที่สามที่เราเลือกมา แต่หากเรามีสมการที่ (1), (2) และ (3) เราจะสามารถหาสมการทั้งหกสมการได้โดยไม่จำเป็นต้องทำการทดลองอื่นอีก เพราะการรวมสมการที่ (1) และ (2) จะให้ผลเป็นสมการที่ (4), (1) และ (3) จะได้สมการที่ (6), (4) และ (6) หรือ (2) และ (3) จะได้สมการที่ (5) ตามที่มีการอธิบายให้เห็นเป็นรูปภาพที่แสดงความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:
โดยเลขแต่ละตัวแทนกฎของแก๊สตามที่เรียงเลขที่ไว้ด้านบน
หากเราทำตามวิธีการด้านบนกับกฎสองกฎจากเลขที่อยู่บนมุมสองมุมจากทั้งสามมุมของสามเหลี่ยมที่มีเลข "O" อยู่ภายใน เราจะได้ผลออกมาเป็นกฎตามเลขที่ปรากฏบนมุมที่สาม
ตัวอย่างเช่น:
เปลี่ยนแค่ความดันและปริมาตรก่อน:  P_1V_1=P_2V_2     (1´)
จากนั้นเปลี่ยนแค่ปริมาตรและอุณหภูมิ:  \frac{V_2}{T_1}=\frac{V_3}{T_2}                  (2´)
และในเมื่อเราสามารถให้ V_3  แทนค่าใดก็ได้ เราจะให้ V_1=V_3  และสมการที่ (2´) จะกลายเป็น: \frac{V_2}{T_1}=\frac{V_1}{T_2} (3´)
การรวมสมการที่ (1´) และ (3´) จะได้ผลเป็น \frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2}   ซึ่งก็คือสมการที่ (4) โดยเราไม่เคยรู้จักสมการนี้มาก่อนจนกระทั่งเราได้อนุพัทธ์มันออกมา
===เชิงทฤษฎี===
====ทฤษฎีจลน์====
เราสามารถอนุพัทธ์กฎของแก๊สอุดมคติได้จากหลักการแรก (first principle) โดยใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สซึ่งมีสมมติฐานที่ทำให้ง่ายลงหลายข้อ เช่นการสมมติว่าโมเลกุลหรืออะตอมของแก๊สเป็นมวลจุดหรือมีมวลแต่มีปริมาตรที่น้อยจนไม่มีนัยสำคัญ และชนกับผนังของภาชนะและชนกันอย่างยืดหยุ่นเท่านั้น โดยอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นและพลังงานจลน์
สมมติฐานพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ของแก๊สบอกเป็นนัยว่า
PV=\frac{1}{3}Nmv_{\text{rms}}^2.
จากนั้น ตามการกระจายตัวแบบแมกซ์เวลล์-บ็อลทซ์มัน (Maxwell-Boltzmann distribution) โมเลกุลส่วนหนึ่งที่มีอัตราเร็วอยู่ในช่วง v ถึง v+dv เท่ากับ f(v) \, dv โดย
f(v)=4\pi \left(\frac{m}{2\pi kT}\right)^{\frac{3}{2}}v^2 e^{-\frac{mv^2}{2kT}}
และ k คือค่าคงตัวบ็อลทซ์มัน ค่าเฉลี่ยกำลังสองหาได้จากการคำนวณดังนี้
v_{\text{rms}}^2=\int_0^\infty v^2 f(v) \, dv=4\pi \left(\frac{m}{2\pi kT}\right)^{\frac{3}{2}}\int_0^\infty v^4 e^{-\frac{mv^2}{2kT}} \, dv.
ด้วยสูตรของปริพันธ์
\int_0^\infty x^{2n}e^{-\frac{x^2}{a^2}} \, dx=\sqrt{\pi} \, \frac{(2n)!}{n!}\left(\frac{a}{2}\right)^{2n+1},
เราจึงได้
v_{\text{rms}}^2=4\pi\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)^{\frac{3}{2}}\sqrt{\pi} \, \frac{4!}{2!}\left(\frac{\sqrt{\frac{2kT}{m}}}{2}\right)^{5}=\frac{3kT}{m},
และจากนั้น เราก็จะได้กฎของแก๊สอุดมคติ:
PV=\frac{1}{3}Nm\left(\frac{3kT}{m}\right)=NkT.
====กลศาสตร์สถิติ====
ให้ q = (qx, qy, qz) และ p = (px, py, pz) แสดงถึงเวกเตอร์ตำแหน่งและเวกเตอร์โมเมนตัมของอนุภาคแก๊สอุดมคติตามลำดับ ให้ F แสดงถึงแรงสุทธิที่กระทำบนอนุภาคนั้น แล้วพลังงานจลน์เฉลี่ยกับเวลาของอนุภาคเท่ากับ:
\begin{align}
\langle \mathbf{q} \cdot \mathbf{F} \rangle &= \Bigl\langle q_{x} \frac{dp_{x}}{dt} \Bigr\rangle +
\Bigl\langle q_{y} \frac{dp_{y}}{dt} \Bigr\rangle +
\Bigl\langle q_{z} \frac{dp_{z}}{dt} \Bigr\rangle\\
&=-\Bigl\langle q_{x} \frac{\partial H}{\partial q_x} \Bigr\rangle -
\Bigl\langle q_{y} \frac{\partial H}{\partial q_y} \Bigr\rangle -
\Bigl\langle q_{z} \frac{\partial H}{\partial q_z} \Bigr\rangle = -3k_{B} T,
\end{align}
โดยสมการแรกคือกฎข้อที่สองของนิวตัน บรรทัดที่สองใช้สมการของแฮมิลตันและทฤษฎีบทการแบ่งเท่า (equipartition theorem) ผลบวกรวมทั้งระบบของอนุภาค N อนุภาคเท่ากับ
3Nk_{B} T = - \biggl\langle \sum_{k=1}^{N} \mathbf{q}_{k} \cdot \mathbf{F}_{k} \biggr\rangle.
ตามกฎข้อที่สามของนิวตันและสมมติฐานของแก๊สอุดมคติ แรงสุทธิที่กระทำบนระบบคือแรงที่ผนังของภาชนะกระทำ และแรงนี้ถูกกำหนดโดยความดัน P ของแก๊ส ดังนั้น
-\biggl\langle\sum_{k=1}^{N} \mathbf{q}_{k} \cdot \mathbf{F}_{k}\biggr\rangle = P \oint_{\mathrm{surface}} \mathbf{q} \cdot d\mathbf{S},
โดย dS คือองค์ประกอบพื้นที่ขนาดกณิกนันต์รอบผนังของภาชนะ ในเมื่อไดเวอร์เจนซ์ (divergence) หรือความลู่ออกของเวกเตอร์ตำแหน่ง q เท่ากับ
\nabla \cdot \mathbf{q} =
\frac{\partial q_{x}}{\partial q_{x}} +
\frac{\partial q_{y}}{\partial q_{y}} +
\frac{\partial q_{z}}{\partial q_{z}} = 3,
ทฤษฎีบทไดเวอร์เจนซ์ (divergence theorem) บอกเป็นนัยว่า
P \oint_{\mathrm{surface}} \mathbf{q} \cdot d\mathbf{S} = P \int_{\mathrm{volume}} \left( \nabla \cdot \mathbf{q} \right) dV = 3PV,
โดย dV คือปริมาตรขนาดกณิกนันต์ภายในภาชนะ และ V คือปริมาตรทั้งหมดของภาชนะ
เมื่อนำสมการทั้งหมดมารวมกัน จะได้ผลเป็น
3Nk_{B} T = -\biggl\langle \sum_{k=1}^{N} \mathbf{q}_{k} \cdot \mathbf{F}_{k} \biggr\rangle = 3PV,
ซึ่งแสดงถึงกฎของแก๊สอุดมคติของอนุภาค N อนุภาค:
PV = Nk_{B} T = nRT,\,
โดย n = N/NA คือจำนวนโมลของแก๊ส และ R = NAkB คือค่าคงตัวของแก๊ส
== ในมิติอื่น ==
ความดันของแก๊สอุดมคติในระบบ d มิติเท่ากับ:
P^{(d)}=\frac{N k_B T}{L^d}, 
โดย L^d คือปริมาตรของขอบเขต d มิติที่มีแก๊สอยู่ สังเกตว่ามิติ (หรือหน่วย) ของความดันเปลี่ยนตามมิติที่เปลี่ยนไป
==ดูเพิ่ม==
(Van der Waals equation)
(Partition function (statistical mechanics))
(Dynamic pressure)
(Internal pressure)
==อ้างอิง==
== แหล่งข้อมูลอื่น ==
Configuration integral (statistical mechanics) where an alternative statistical mechanics derivation of the ideal-gas law, using the relationship between the Helmholtz free energy and the partition function, but without using the equipartition theorem, is provided. Vu-Quoc, L., Configuration integral (statistical mechanics), 2008. this wiki site is down; see this article in the web archive on 2012 April 28.
Gas equations in detail
กฎของแก๊ส
แก๊สอุดมคติ
สมการสภาวะ