กฎของแก๊ส

กฎของแก๊ส  พัฒนาขึ้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 18 เมื่อนักวิทยาศาสตร์เริ่มตระหนักว่าสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (<math>P</math>) ปริมาตร (<math>V</math>) และอุณหภูมิ (<math>T</math>) 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 
 <math>V \propto \frac{1}{P}</math>
หมายความว่า ปริมาตรแปรผกผันกับความดัน หรือ
 <math>P \propto \frac{1}{V}</math>
หมายความว่า ความดันแปรผกผันกับปริมาตร หรือ
 <math>PV = k_1 </math>
หมายความว่า ผลคูณของความดันและปริมาตรของแก๊สเท่ากับค่าคงตัว
ดังนั้น
 <math> P_1 V_1 = P_2 V_2</math>
เมื่อ
กฎของชาร์ล.
กฎของชาร์ลค้นพบในปี 1787 โดยฌัก อาแล็กซ็องดร์ เซซาร์ ชาร์ล (Jacques Alexandre César Charles) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส กล่าวว่า แก๊สอุดมคติที่มีมวลหนึ่ง ๆ ในความดันคงตัว ปริมาตรจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สนั้น ๆ ในระบบปิด
กฎของชาร์ลเป็นดังต่อไปนี้ปริมาตรของแก๊สที่มีมวลหนึ่ง ๆ ในความดันคงตัวจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิแสดงความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ดังสมการ
 <math>V \propto T</math> 
หรือ
 <math>\frac{V}{T} = k_2</math>
ดังนั้น
 <math>\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}</math>
เมื่อ
กฎของแก-ลูว์ซัก.
กฎของแก-ลูว์ซัก (บางครั้งเขียนว่ากฎของเก-ลัสแซกหรือกฎของเกย์ลูสแซก) ค้นพบโดยโฌแซ็ฟ หลุยส์ แก-ลูว์ซัก (Joseph Louis Gay-Lussac) นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวฝรั่งเศสในปี 1808 กล่าวว่า แก๊สอุดมคติที่มีมวลหนึ่ง ๆ และมีปริมาตรคงตัว ความดันที่กระทำต่อภาชนะจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์
แสดงความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ดังสมการ
 <math>P \propto T</math>
หรือ
 <math>\frac{P}{T} = k_3</math>
ดังนั้น
 <math>\frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2}</math>
เมื่อ
กฎของอโวกาโดร.
กฎของอโวกาโดรสันนิษฐานว่าค้นพบเมื่อปี 1811 กล่าวว่า หากอุณหภูมิและความดันคงตัว ปริมาตรของแก็สอุดมคติจะแปรผันตรงกับจำนวนโมเลกุลของแก๊สในภาชนะ นำมาสู่ปริมาตรโมลาร์ของแก๊สที่ STP (273.1 K, 1 atm) ประมาณ 22.4 L
แสดงความสัมพันธ์ดังกล่าวได้ดังสมการ
 <math>V \propto n\,</math>
หรือ
 <math>\frac{V_1}{n_1}=\frac{V_2}{n_2} \,</math>
เมื่อ
กฎรวมแก๊สและกฎของแก๊สอุดมคติ.
จากกฎทั้งสามกฎข้างต้น นำมารวมได้เป็นกฎรวมแก๊ส ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ ของแก๊สที่มีมวล (ปริมาณ) คงตัว ดังสมการ
 <math>PV = k_5 T </math>
หรือเขียนได้อีกแบบหนึ่งว่า
 <math>\frac {P_1V_1} {T_1} = \frac {P_2V_2} {T_2}</math>
อาศัยกฎของอาโวกาโดร สามารถเปลี่ยนกฎรวมแก๊สให้เป็นกฎของแก๊สอุดมคติหรือกฎแก๊สสมบูรณ์ ดังสมการ
 <math>P V = n R T</math>
เมื่อ
สูตรที่เหมือนกับกฎนี้คือ
 <math>P V = N k_B T</math>
เมื่อ
สมการเหล่านี้ใช้สำหรับแก๊สอุดมคติอยู่ในสภาวะที่สมมติขึ้นมา ซึ่งไม่ได้พิจารณาปรากฏการณ์ระหว่างโมเลกุล (ดูแก๊สจริง) กฎเหล่านี้จึงไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมที่แท้จริงของแก๊สจริงได้ อย่างไรก็ตาม กฎของแก๊สอุดมคติเป็นการประมาณที่ดีสำหรับแก๊สส่วนมากภายใต้ความดันและอุณภูมิที่พอดี
กฎนี้ส่งผลกระทบที่สำคัญ ดังนี้
กฎอื่น ๆ ของแก๊ส.
กฎการแพร่ของแกรห์ม.
อัตราการแพร่ของโมเลกุลของแก๊สแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่นของแก๊ส ณ อุณหภูมิคงตัว นำมารวมกับกฎของอโวกาโดรเนื่องจากปริมาตรเท่ากันจะมีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน นั่นคืออัตราการแพร่จะแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุล
<math>r \propto \frac{1}{\sqrt{d}}</math>
ดังนั้น
<math>\frac{\textrm{Rate}_1}{\textrm{Rate}_2} = \sqrt{\frac{M_2}{M_1}}</math>
เมื่อ
กฎความดันย่อยของดอลตัน.
หากแก๊สแต่ละชนิดและแก๊สผสมอยู่ในอุณหภูมิและปริมาตรเดียวกัน ความดันของแก๊สผสมคือผลรวมของความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิด ดังนี้
<math> P_\textrm{total} = P_1 + P_2 + P_3 + \cdots + P_n \equiv \sum_{i=1}^n P_i
</math>
เมื่อ
กฎความดันย่อยของแอมะแกต.
หากแก๊สแต่ละชนิดและแก๊สผสมอยู่ในอุณหภูมิและความดันเดียวกัน ปริมาตรของแก๊สผสมคือผลรวมของปริมาตรย่อยของแต่ละส่วนประกอบ ดังนี้
<math> V_\textrm{total} = V_1 + V_2 + V_3 + \cdots + V_n \equiv \sum_{i=1}^n V_i</math>
เมื่อ
กฎของเฮนรี.
หากอุณหภูมิคงที่ ปริมาณของแก๊สหนึ่ง ๆ ที่ละลายในของเหลวชนิดและปริมาตรหนึ่ง ๆ จะแปรผันตรงกับความดันย่อยของแก๊สในสภาวะสมดุลที่อยู่ในของเหลวนั้น
<math> p = k_{\rm H}\, c</math>
กฎของแก๊สจริง.
คิดค้นในปี 1873 โดย Johannes Diderik van der Waals