สรุปเรื่องแก๊สและสมบัติของแก๊ส

5915891021 Download

• Publications : 0
• Followers : 0

สรุปบทที่ึึ7-แก๊สและสมบัติของแก๊ส

Like this book? You can publish your book online for free in a few minutes!

Create your own flipbook

• Follow

• Upload

• 0

• Embed

• Share

สมบัติของแก๊ส

แก๊ส เป็นหนึ่งในสี่สถานะของสสาร ในภาวะที่อุณหภูมิและความดันเหมาะสม สารหลายชนิดสามรถเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สได้ ธาตุที่เป็นอโลหะ เช่น ไฮโดรเจน ฟลูออรีน ออกซิเจน ไนโตรเจน แก๊สเฉื่อย และสารประกอบโคเวเลนต์ที่มีมวลโมเลกุลต่ำบางชนิด เช่น;CO , CO2;,;NH3;,;SO2;มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องโดยปกติแก๊สมักจะหมายถึงสารที่มีสภานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ส่วนสารที่เป็นของเหลวที่ภาวะปกติ แต่ถูกเปลี่ยนแก๊สจะเรียกว่า;ไอ;(Vapour)แก๊สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อยมาก อนุภาคจะอยู่ห่างกันมากเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและของแข็ง ดังนั้น เมื่อบรรจุแก๊สไว้ในภาชนะ แก๊สจึงแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ ทำให้มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามขนาดและรูปร่างของภาชนะ แก๊สมีความหนาแน่นต่ำกว่าของแข็งและของเหลวมาก สามารถบีบอัดให้มีปริมาตรลดลงได้ สมบัติของแก๊ส

สมบัติทั่วไปของแก็ส สมบัติทั่วไปของแก๊ส ได้แก่

1. แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ บรรจุ ในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่น ถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร เพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค (โมเลกุล หรืออะตอม) น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ

2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊สออกซิเจน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 dm3;ที่อุณหภูมิ 0 C ความดัน 1บรรยากาศ (STP)

3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 g/cm3แต่น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 g/cm3;ที่100 C

4. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง

5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ในภาชนะเดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสารเดียว หรือเป็นสารละลาย (Solution)

6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊สออกซิเจน(O2)แก๊สไฮโดเจน(H2) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์(CO2)แต่แก๊สบางชนิดมีสี เช่น แก๊สไนโตเจนไดออกไซด์ (NO2) มีสีน้ำตาลแดง แก๊สคลอรีน(Cl2) มีสีเขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O3) ที่บริสุทธิ์มีสีน้ำเงินแก่ เป็นต้น

ปริมาตร อุณหภูมิ และความดัน

การวัดปริมาตรของแก๊ส เนื่องจากแก๊สบรรจุในภาชนะใดก็พุ่งกระจายเต็มภาชนะ ดั้งนั้น ปริมาตรของแก๊ส จึงมักหมายถึงปริมาตรของภาชนะที่บรรจุแก๊สนั้น;
หน่วยของปริมาตร หน่วยของปริมาตร ที่นิยมใช้คือ ลูกบาศก์เดซิเมตร (dm3) หรือลิตร (litre) หรือ ลูกบาศก์เซนติเมตร (cm3) (1 dm3=1000 cm3)

อุณหภูมิ (Temperature) เป็นมาตราส่วนที่ใช้บอกระดับความร้อน-เย็นของสาร แต่อุณหภูมิไม่ได้บอกให้ทราบถึงปริมาตรความร้อนของสาร กล่าวคือ สารที่มีอุณหภูมิเท่ากันแสดงว่ามีระดับความร้อนเท่ากันแต่อาจจะมีปริมาตรความร้อนเท่ากันก็ได้ เครื่องมือวัดอุณหภูมิที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือเทอร์โมมิเตอร์

การวัดอุณหภูมิของแก๊ส การวัดอุณหภูมิมาตราส่วนที่ใช้มีหลายแบบ คือ เซลเซียส;

เคลวิน ฟาเรนไฮต์ โรเมอร์และแรงกิน แต่การวัดอุณหภูมิของแก๊สส่วนใหญ่ใช้ มาตราส่วนเคลวิน;

(Kelvin Scale) หรือเรียกว่า มาตราส่วนสัมบูรณ์ (Absolute temperature scale) สัญลักษณ์ K และองศาเซลเซียส อุณหภูมิเคลวิน และองศาเซลเซียสมีความสัมพันธ์กันดังนี้
อุณหภูมิเคลวิน = องศาเซลเซียส + 273.15; เช่น27 องศาเซลเซียส เท่ากับ 300.15 K หาได้ดังนี้อุณหภูมิเคลวิน = 27 + 273.15 = 300.15 K หมายเหตุ เพื่อความสะดวกในการคำนวณอาจใช้ 273 (ค่าโดยประมาณ) แทน 273.15 การวัดอุณหภูมิของแก๊สส่วนใหญ่ใช้อุณหภูมิเคลวิน (K) เพราะปริมาตรของแก๊สแปรผันตรงกับอุณหภูมิ ;

หมายถึง แรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ ที่ตั้งฉากกับแรงนั้น เนื่องจากความดันของแก๊สเกิดจากโมเลกุลของแก๊สชนผันงภาชนะ เพราะฉะนั้นความดันของแก๊สคือแรงที่โมเลกุลของแก๊สกระทำต่อผนังต่อหนึ่งหน่วนพื้นที่ของภาชนะ และความดันของแก๊สมีค่าเท่ากันหมดไม่ว่าจะวัดที่ส่วนใดของภาชนะ

เครื่องมือวัดความดันของแก๊ส เครื่องมือที่ใช้วัดความดันของแก๊สเรียกว่า มาโนมิเตอร์ (Manometer) ซึ่งมีอยู่ 2 ชนิด คือ1. ชนิดปลายปิด2. ชนิดปลายเปิด
ชนิดปลายปิด และปลายเปิด มีลักษณะดังรูป

จากรูป ก. เพราะว่าที่ว่างเหนือปรอทเป็นสุญญากาศ
ดังนั้น ความดันของแก๊ส = h มิลลิเมตรปรอท (mmHg)
จากรูป ข. เพราะว่าปลายข้างเปิดมีความดันของบรรยากาศกดบนปรอท
ดังนั้น ความดันของแก๊ส = ความดันของบรรยากาศ + h มิลิเมตรปรอท (mmHg) เครื่องมือวัดความดันของบรรยากาศ ความดันบรรยากาศ คือความดันของอากาศบนพื้นผิวโลก และความดันของบรรยากาศนี้ขึ้นอยู่กับสถานที่ คือที่พื้นที่ผิวโลกมีความดันมากกว่าในที่สูงๆ เช่น ภูเขา ทั้งนี้เพราะในที่สูงมีอากาศเจือจางกว่า เครื่องมือที่ใช้วัดความดันของบรรยากาศคือ บารอมิเตอร์ (Barometer)

จากรูป บารอมิเตอร์อย่างง่ายประกอบด้วยหลอดแก้วยาวประมาณ 80 – 100 cm มีปลายข้างหนึ่งเปิด เดิมปรอทในหลอดแก้วจนเต็ม จากนั้นคว่ำหลอดแก้วในภาชนะที่บรรจุปรอทอยู่แล้ว ความสูงของลำปรอทในหลอดแก้จะลดลง ทำให้เกิดที่ว่างซึ่งเป็นสุญญากาศ เรียกว่า ที่ว่างทอริเซลเลียน(Torricellian Vacuum) ลำปรอทยังคงค้างในหลอดแก้งเนื่องจากความดันบรรยากาศที่กดที่ผิวปรอทในภาชนะ จากรูปลำปรอทสูงเท่ากับ h cm เพราะฉะนั้นความดันของบรรยากาศมีค่าเท่ากับ h cmHg เช่น ในที่ซึ่งมีความสูงเท่ากับระดับน้ำทะเลจะมีความดันเท่ากับ 76 cmHg หรือ 760 cmHg หรือ 1 บรรยากาศ (1 atm)

การวัดความดันของแก๊ส หน่วยที่ใช้วัดความดันได้แก่ บรรยากาศ มิลมิเมตรปรอท นิวตันต่อ ตารางเมตร ปอนด์ต่อตาราง นิ้ว บาร์ ทอร์ สำหรับหน่วยเอสไอ ใช้ปาสคาล (Pascal)
สัญลักษณ์ Pa และหน่วยต่างๆ มีความสัมพันธ์ ดังนี้
1 บรรยากาศ = 760 มิลลิเมตร
= 760 ทอร์ (Torr)
= 14.7 ปอนด์/ตารางนิ้ว (lb/in2)
= 1.01325 x 105 ปาสคาล (Pa)
= 1.01325 x 105 นิวตัน/ตารางเมตร (Nm-2)
= 1.01325 บาร์ (bar)
1 มิลลิเมตรปรอท = 133.3 นิวตัน/ตารางเมตร (Nm-2)
หมายเหตุ การวัดความดันของแก๊สอาจวัดโดยใช้บารอมิเตอร์ก็ได้

Return to contents

กฎของแก๊ส (Gas Law);เป็นกฎที่ใช้สำหรับอธิบายสมบัติต่าง ๆ ของแก๊ส ได้แก่ ปริมาตร (V);ความดัน (P) และอุณหภูมิอุณหพลวัต (T) ของแก๊สนั้น ๆ กฎของแก๊สที่เราควรรู้จัก ประกอบด้วยกฎของบอยล์;กฎของชาร์ล;และกฎของเก-ลูซัก;(บางครั้งเขียนว่า "กฎของเก-ลัสแซก" หรือ "กฎของเกย์ลูสแซก") สำหรับรายละเอียดของกฎข้างต้นและกฎอื่น ๆ จะได้อธิบายข้างล่างนี้

กฎของบอยล์;(Boyle’s Law)

Robert Boyle เมื่อทดลองโดยใช้กระบอกฉีดยาและปิดปลายกระบอกฉีดยา เมื่อกดก้านกระบอกฉีดยาทำให้ปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลง และเมื่อปล่อยมือก้านกระบอกฉีดยาจะเลื่อนกลับสู่ตำแหน่งเดิม ในทำนองเดียวกันเมื่อดึงก้านกระบอกฉีดยาขึ้น ทำให้ปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดเพิ่มขึ้น และเมื่อปล่อยมือก้านกระบอกฉีดยาจะเลื่อนกลับสู่ตำแหน่งเดิม สามารถใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอธิบายได้ว่า เมื่อปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลง ทำให้โมเลกุลของแก๊สอยู่ใกล้กันมากขึ้น จึงเกิดการชนกันเองและชนผนังภาชนะมากขึ้น เป็นผลให้ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับตอนเริ่มต้น ในทางตรงกันข้ามการเพิ่มปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาทำให้โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน การชนกันเองของโมเลกุลของแก๊สและการชนผนังภาชนะน้อยลง ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาจึงลดลงนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดันของแก๊ส โดยควบคุมให้อุณหภูมิคงที่ ได้ผลดังตารางต่อไปนี้

จากผลการทดลองในตารางพบว่า ผลคูณของความดันกับปริมาตร (PV) ของแก๊สในการทดลองแต่ละครั้งมีค่าค่อนข้างคงที่ และเมื่อเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรของแก๊สจะได้ดังรูปต่อไปนี้จากข้อมูลในตารางและจากกราฟพบว่าขณะที่อุณหภูมิคงที่ ถ้าปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้นจะทำให้ความดันของแก๊สลดลง และเมื่อปริมาตรของแก๊สลดลง ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นรอเบิร์ต บอยล์ (Robert Bolye) นักเคมีชาวอังกฤษ ได้ศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊สในปี ค.ศ. 1662 (พ.ศ. 2205) และสรุปเป็นกฎเรียกว่า “กฎของบอยล์” ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้เมื่ออุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผกผันกับความดันถ้าให้;P;แทนความดันของแก๊ส;V;แทนปริมาตรของแก๊ส ความสัมพันธ์ตามกฎของบอยล์เขียนแสดงความสัมพันธ์ได้ดังนี้VaPV kค่าคงที่ k ในสมการนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปริมาตร มวลของแก๊ส และลักษณะเฉพาะของแก๊สแต่ละชนิด และจากผลการทดลองพบว่าผลคูณระหว่างปริมาตและความดันของแก๊สมีค่าคงที่เสมอ ดังนั้นถ้าให้;P1;และ;V1;เป็นความดันและปริมาตรที่สภาวะที่ 1 จะได้ว่า P1V1 k (1)และถ้าให้ P1 และ V1 เป็นความดันและปริมาตรที่สภาวะที่ 1 จะได้ว่าP2V2 k (2)(1)  (2) P1V1P2V2 ผลที่ได้จากกฎของบอยล์เมื่อนำมาเขียนกราฟโดยให้ความดันเป็นแกนตั้ง และปริมาตรเป็นแกนนอน จะได้กราฟจากกราฟถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนไปจะได้กราฟที่มีลักษณะไฮเปอร์โบลา และพบว่าอุณหภูมิยิ่งสูงขึ้น ลักษณะของเส้นกราฟเกือบจะเป็นเส้นตรง

จากกราฟนี้ กราฟแต่ละเส้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรที่ต่างกัน และได้กราฟที่มีลักษณะเป็นเส้นโค้ง ซึ่งไม่สามารถบอกได้ชัดเจนว่าเป็นไปตามกฎของบอยล์หรือไม่ แต่ถ้าเขียนกราฟระหว่างความดันกับส่วนกลับของปริมาตรจะได้กราฟที่เป็นเส้นตรง ซึ่งถ้าหากมีการเบี่ยงเบนเกิดขึ้น เส้นจะเฉออกจากแนวเส้นตรงอย่างเห็นได้ชัดตัวอย่างที่;1;;;; แก๊สจำนวน 15;g;มีปริมาตร 10 ลิตร ที่ความดัน 150;mmHg;เมื่ออุณหภูมิคงที่; ถ้าเปลี่ยนความดันเป็น 50;mmHg; แก๊สจะมีปริมาตรเท่าใดวิธีทำ;P1;; =;; 150; mmHgP2;; =;; 50 ; mmHgV1;; =;; 10 ;;ลิตรV2;; =;; ?จากสูตร;;;;;;;;;; P1V1;; =;; P2V2150 x 10;; =;; 50 x V2V2;; = ;1500 / 50=;; 30;;;ลิตรตัวอย่างที่;2;;;; แก๊สชนิดหนึ่งมีความดันเริ่มต้นเท่ากับ 200;mmHg;;แก๊สชนิดนี้จะมีความดันสุดท้ายเป็นเท่าใดถ้าทำให้แก๊สมีปริมาตรลดลงเป็นครึ่งหนึ่งของปริมาตรเดิมเมื่ออุณหภูมิคงที่วิธีทำ;P1;; =;; 200; mmHgP2;; =;; ? ;;; mmHgV1;; =;; V1V2;; = ;V1/V2จากสูตร;;;;;;;;;; P1V1;; =;; P2V2200 x V1;; =;; P2;x (V1/V2)P2;; = ;200 x V1V1/V2=;; 400; mmHgกฎของชาร์ล;(Charle’s Law)ในการทดลองจุ่มกระบอกฉีดยาซึ่งบรรจุน้ำจำนวนหนึ่งลงในน้ำร้อน น้ำในกระบอกฉีดยาจะถูกดันออก ในทางตรงกันข้าม ถ้าจุ่มกระบอกฉีดยาลงในน้ำเย็น น้ำจากภายนอกจะเข้าไปแทนที่อากาศในกระบอกฉีดยา นั่นคือ การเพิ่มอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น และการลดอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของแก๊สลดลงด้วย แสดงว่าอุณหภูมิมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊ส การเปลี่ยนแปลงนี้ใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอธิบายได้ว่า การเพิ่มอุณหภูมิมีผลทำให้พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สเพิ่มขึ้น โมเลกุลของแก๊สจึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้โมเลกุลชนกันเองและชนผนังภาชนะมากขึ้น รวมทั้งพลังงานในการชนกันสูงขึ้นด้วย เป็นผลให้ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาสูงขึ้นด้วย จึงดันน้ำออกจากกระบอกฉีดยาจนความดันของแก๊สภายในเท่ากับภายนอก จึงสังเกตเห็นว่าแก๊สในกระบอกฉีดยามีปริมาตรเพิ่มขึ้น ในกลับกันเมื่อลดอุณหภูมิ พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สในกระบอกฉีดยาจะลดลง ทำให้การชนกันเองระหว่างโมเลกุลของแก๊สและการชนผนังภาชนะน้อยลง รวมทั้งพลังงานในการชนลดลง ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาจึงต่ำ อากาศภายนอกซึ่งมีความดันสูงกว่าจึงดันน้ำให้เข้าไปในกระบอกฉีดยา ความดันภายในจึงเพิ่มขึ้นจนเท่ากับความดันภายนอก จึงสังเกตเห็นว่าปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลงจนกระทั่งคงที่ ;จึงสรุปได้ว่าอุณหภูมิเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊ส

Jacques Charlesจากผลการทดลองพบว่าเมื่อนำข้อมูลมาเขียนกราฟ จะได้กราฟเส้นตรงที่มีความชันคงที่ และทำให้คาดคะเนได้ว่า ถ้าลดอุณหภูมิของแก๊สลงเรื่อย ๆ แก๊สจะไม่มีปริมาตร หรือมีปริมาตรเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ –273OC;แต่โดยความเป็นจริงแก๊สจะไม่สามารถมีปริมาตรเป็นศูนย์ได้ เนื่องจากเมื่อลดอุณหภูมิลงเรื่อย ๆ แก๊สจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวก่อนที่อุณหภูมิจะถึง –273OC;;ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดให้อุณหภูมิ –273OC;มีค่าเท่ากับ 0 เคลวิน;(K);;โดยมีความสัมพันธ์ดังนี้

เมื่อทดลองศึกษาการเปลี่ยนปริมาตรของแก๊สเมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ พบความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรแก๊สกับอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและในหน่วยเคลวิน ดังตาราง

จากตารางจะเห็นว่า เมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิในหน่วยเซลเซียสเป็นหน่วยเคลวิน อัตราส่วนระหว่างปริมาตรกับอุณหภูมิเคลวินจะมีค่าคงที่จ๊าก–อาเล็กซองเดร์–เซซา ชาร์ล (Jacqes A.C. Charles) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับปริมาตรแก๊ส ในปี ค.ศ.1778 (พ.ศ.2321) และสรุปความ สัมพันธ์เป็นกฎ เรียกว่ากฎของชาร์ล ซึ่งมีใจความดังนี้

“เมื่อมวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน”

กฎเกย์–ลูสแซกเกย์–ลูสแซกได้ทำการทดลองเพิ่มเติมต่อไป โดยให้ปริมาตรของแก๊สคงที่ เพื่อที่จะหาความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอุณหภูมิ ผลที่ได้คือ;ความดันของแก๊สใด ๆ จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเมื่อปริมาตรคงที่;ดังนั้นP ;;a;TP;; =;; kTP;=;; kTและ ; ; ; ; ; ;;P1;= ; ; ;P2T1 ; ; ; ; ; ; ; ; ;T2ตัวอย่างที่;5;;;; ถังใบหนึ่งถ้ามีแก๊สบรรจุอยู่จำนวนหนึ่ง มีความดัน 135 บรรยากาศ ที่อุณหภูมิ 20;OC; ถ้าให้แก๊สภายในถังร้อนขึ้นเป็น 85OC;จะมีความดันเท่าใดเมื่อปริมาตรคงที่วิธีทำP1;= ; ; ;P2T1 ; ; ; ; ; ; ; T2135/(273+20) = ;P2/(273 +85)P2 ; ; ; ; = ;135 ;x 358293=;; 164.9;;;;;;บรรยากาศ
จากกฎทั้งสามกฎข้างต้น นำมารวมได้เป็นกฎรวมแก๊ส ดังสมการ

ซึ่งจากกฎรวมแก๊ส เราสามารถเปลี่ยนให้เป็นกฎของแก๊สอุดมคติ หรือกฎแก๊สสมบูรณ์ โดยอาศัยกฎของอาโวกาโดร;ได้ดังสมการ

โดยที่V;เป็นปริมาตรของแก๊ส หน่วยเป็นลูกบาศก์เมตรP;เป็นความดันของแก๊ส หน่วยเป็นปาสกาล (หรือพาสคัล)T;เป็นอุณหภูมิอุณหพลวัต หน่วยเป็นเคลวินn;เป็นจำนวนโมลของแก๊สR;เป็นค่าคงตัวแก๊สอุดมคติ (ประมาณ 8.3145 จูลต่อ(โมล เคลวิน))นอกเหนือจากกฎที่ได้อธิบายไปแล้ว ก็ยังมีกฎการแพร่ของแกรห์ม;(หรือบางทีเขียนเป็น เกรแฮม);ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส;และกฎความดันย่อยของดาลตัน;ซึ่งสามารถนำมาใช้อธิบายพฤติกรรมของแก๊สอุดมคติได้เช่นเดียวกัน อย่างไรก็ดี แก๊สอุดมคติอยู่ในสภาวะที่สมมติขึ้นมา กฎเหล่านี้จึงไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมที่แท้จริงของแก๊สปกติได้

Return to contents

การแพร่ผ่านของแก๊ส (Effusion)

หมายถึงกระบวนการที่โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งผ่านรูเล็ก ๆ ไปสู่อีกบริเวณหนึ่งโดยไม่มีการชนกันของโมเลกุล เช่น การบรรจุแก๊สไฮโดรเจนลงในภาชนะเครื่องปั้นดินเผาที่ไม่ได้เคลือบ มีรูพรุน แล้วตั้งทิ้งไว้ในอากาศ ไฮโดรเจนฟุ้งกระจายภายในภาชนะออกมาข้างนอก และอากาศข้างนอกฟุ้งกระจายเข้าไปในภาชนะโดยมีการผ่านรูเล็ก ๆ ของภาชนะ

การแพร่ (Diffusion)

หมายถึงกระบวนการที่โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า โดยโมเลกุลมีการชนกันตลอดเวลา

กฎการแพร่ของเกรย์แฮม Thomas Graham

ในปี ค.ศ.1833 โทมัส เกรแฮม (Thomas Graham) พบว่า “อัตราการแพร่และอัตราการแพร่ผ่านของแก๊สจะแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่นของแก๊ส ภายใต้อุณหภูมิและความดันเดียวกัน” และตั้งเป็นกฎ เรียกว่า กฎการแพร่ของเกรแฮม
ถ้า r = อัตราการแพร่ของแก๊ส
d = ความหนาแน่นของแก๊ส
จะได้ว่า r a
r =
ถ้าเปรียบเทียบอัตราการแพร่ของแก๊สภายใต้สภาวะเดียวกัน จะได้ดังนี้
r1 = …………….. (1)
r2 = …………….. (2)
(1) / (2) =
แต่ความหนาแน่นแปรผันตรงกับมวลโมเลกุล
ดังนั้น =
ในกรณีความหนาแน่นกับอัตราการแพร่ อธิบายได้ดังนี้
เมื่ออุณหภูมิและความดันคงที่ ความหนาแน่นของแก๊สจะแปรผันตามมวลโมเลกุลของแก๊ส เมื่อ M1 และ M2 เป็นมวลโมเลกุลของแก๊สที่มีความหนาแน่น d1 และ d2 ตามลำดับ จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้
ดังนั้น = =
อัตราการแพร่ของแก๊สแปรผกผันกับเวลา
จะได้ว่า r a
r =
ถ้าเปรียบเทียบระหว่างแก๊สสองชนิด จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้
=
ในกรณีที่ต้องการเปรียบเทียบอัตราการแพร่ของแก๊สกับระยะทางและเวลา ให้แทนอัตราการแพร่ (v = ) ลงในสูตรดังกล่าว จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้
= . = =
ในกรณีที่การแพร่ของแก๊สมีระยะทางเท่ากัน (s1= s2) จะได้
= = =
ในกรณีที่การแพร่ของแก๊สใช้เวลาเท่ากัน (t1= t2) จะได้
= = =
กฎการแพร่ของแก๊สนอกจากจะใช้คำนวณเกี่ยวกับการแพร่ของแก๊สแล้ว ยังสามารถใช้คำนวณมวลโมเลกุลหรือความหนาแน่นของแก๊สได้ด้วย โดยการคำนวณเปรียบเทียบกับแก๊สที่ทราบความหนาแน่นหรือมวลโมเลกุล นอกจากนี้ยังสามารถใช้หลักการแพร่ของแก๊สแยกแก๊สผสมที่มีมวลโมเลกุลต่างกันมาก ๆ ออกจากกันได้ด้วย เช่น ถ้าต้องการแยกแก๊สผสมระหว่างCH4 กับ CO2 จะทำได้โดยนำแก๊สผสมไปแพร่ผ่านผนังที่มีรูพรุนไปสู่สูญญากาศ แก๊ส CH4 มีมวลโมเลกุลน้อยกว่า CO2 จะมีอัตราการแพร่เร็วกว่า ดังนั้น ในการแพร่ช่วงแรก ๆ จะได้แก๊สส่วนใหญ่เป็น CH4
ตัวอย่างที่ 11 จงเปรียบเทียบอัตราการแพร่ของแก๊ส NH3 และ CO2 (N=14 , H=1 , C=12 , O=12)
วิธีทำ =
=
=
= 1.6
= 1.6
ดังนั้น NH3 แพร่ได้เร็วกว่า CO2 1.6 เท่า
ตัวอย่างที่ 12 แก๊สไฮโดรเจนมีปริมาตร 1 dm3 มีความหนาแน่น 0.09 g/ dm3 แพร่กระจายหมดในเวลา 1 นาที จงคำนวณหาเวลาที่แก๊สแอมโมเนียซึ่งมีปริมาตร 1 dm3 ความหนาแน่น 0.71 g/ dm3 แพร่กระจายได้ภาวะเดียวกัน
วิธีทำ =
=
=
= 2.8 นาที 

Return to contents

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส (Kinetic Theory of Gases) เป็นทฤษฎีที่พยายามอธิบายสมบัติต่างๆ ของแก๊สโดยศึกษาจากทิศทางเคลื่อนที่ของโมเลกุลแก๊สและลักษณะของโมเลกุลแก๊ส

ในช่วงแรก การเริ่มศึกษาทฤษฎีนี้โดยเจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์;นับเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาอุณหพลศาสตร์ในมุมมองจุลภาค;คือศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานอุณหภูมิ;และการเคลื่อนที่ของอะตอม;โดยใช้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันโดยตรง แทนที่จะเป็นการศึกษาอุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมที่ทำกันในมุมมองของระดับมหภาค;คือการศึกษาความสัมพันธ์ของค่าเฉลี่ยของคุณสมบัติต่าง ๆ ในระบบที่สามารถวัดได้ เช่น;ความดัน;หรือปริมาตร;ความสำเร็จของทฤษฎีนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นเริ่มเชื่อว่า อะตอม มีอยู่จริง (ในสมัยนั้นยังมีการถกเถียงเรื่องนี้กันอยู่กว้างขวาง)

ทฤษฎีนี้คิดโดยอาศัยสมมติฐานต่อไปนี้

• แก๊สประกอบด้วยอนุภาคมีมวลที่เล็กมากเรียกว่า;โมเลกุล
• แก๊สเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางที่ไม่แน่นอน จนกว่าที่จะชนกับภาชนะหรือชนกับโมเลกุลอื่น
• การชนระหว่างโมเลกุลของแก๊สสองโมเลกุลเป็นการชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์
• การชนระหว่างโมเลกุลของแก๊สกับผิวภาชนะเป็นการชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์
• แรงที่แก๊สกระทำต่อโมเลกุลอื่นมีขนาดน้อยมากจนไม่สนใจได้ ยกเว้นเมื่อชนกับโมเลกุลอื่นหรือชนกับภาชนะ
• ปริมาตรรวมของโมเลกุลแก๊สมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรของภาชนะ
• ระยะห่างระหว่างโมเลกุลมีค่ามากเมื่อเทียบกับขนาดโมเลกุล
• พลังงานจลน์ของระบบขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ปัจจัยอื่นมีผลน้อยมาก
  • ก๊าซจำนวนหนึ่งมีความดัน 275 กิโลนิวตัน ปริมาตร 0.09 ลูกบาศก์เมตรและอุณหภูมิ 185 องศาเซลเซียส ถ้าเกิดการเปลี่ยนแปลงสภาวะที่มีความดันคงที่จนอุณหภูมิลดลงเหลือ 15 องศาเซลเซียส จงหาปริมาณความร้อนและงานที่ใช้โดยกำหนดให้ค่าคงที่เฉพาะของก๊าซ R = 0.29 kJ/kg-K

แก๊สที่มีสมบัติครบตามสมมติฐานดังกล่าวจัดเป็นแก๊สในอุดมคติหรือแก๊สสมมุติ ในความเป็นจริงแก๊สที่จะเป็นไปตามนี้ได้ ต้องมีความหนาแน่นน้อยมากและมีอุณหภูมิสูง

การใช้ทฤษฎีจลน์อธิบายสมบัติของแก๊ส

ทฤษฎีจลน์ของแก๊สสามารถใช้อธิบายสมบัติของแก๊สในเรื่องที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ;ความดัน;ปริมาตร;และจำนวนโมเลกุล;(หรือโมล) ของแก๊สได้;

ทำไมแก๊สจึงมีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับภาชนะที่บรรจุ

ตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สทราบว่าโมเลกุลของแก๊สนั้นมีขนาดเล็กมาก ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันและกัน ดังนั้นไม่ว่าจะบรรจุแก๊สไว้ในภาชนะใดก็ตาม โมเลกุลของแก๊สก็จะเคลื่อนที่แพร่กระจายเต็มพื้นที่ภาชนะที่บรรจุ จึงทำให้แก๊สนั้นมีรูปร่างเหมือนภาชนะที่บรรจุ และแก๊สนั้นจะมีปริมาตรเท่าภาชนะที่บรรจุด้วย

ตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สกล่าวว่าโมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอยู่ตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วคงที่เกิดการชนกันเองและชนผนังภาชนะอยู่ตลอดเวลา การที่โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะอยู่ตลอดเวลา ทำให้เกิดแรงดัน;และผลรวมของแรงดันทั้งหมดที่มีต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่เรียกว่า ความดันของแก๊ส

Return to contents