แก๊สจริง แก๊สอุดมคติ ต่างกันอย่างไร

แก๊ส หรือที่เรียกอีกอย่างว่า ก๊าซ (อังกฤษ: gas) เป็นสถานะหนึ่งของสสาร (อันได้แก่ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา) ซึ่งจะกลายเป็นของแข็งได้เมื่ออุณหภูมิลดลง

ดังนั้น เมื่อมีการเพิ่มพลังงานในรูปของความร้อนเข้าไป ของแข็ง (เช่น น้ำแข็ง) ก็จะละลายเป็นของเหลว (นั่นคือ น้ำ) ในตอนแรก และจากนั้นก็จะเดือด หรือระเหย กลายเป็นก๊าส (นั่นคือ ไอน้ำ) ในบางสถานะ ของเข็ง (เช่น น้ำแข็งแห้ง) สามารถเปลี่ยนไปเป็นแก๊สได้โดยตรง เรียกว่า การระเหิด หากแก๊สได้รับความร้อนต่อไปอะตอมหรือโมเลกุลของแก๊สนั้นก็จะกลายเป็นไอออน และเปลี่ยนจากแก๊สไปเป็นสถานะพลาสมา

สมบัติของแก๊ส

 ในภาวะที่อุณหภูมิและความดันเหมาะสม สารหลายชนิดสามรถเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สได้ ธาตุที่เป็นอโลหะ เช่น ไฮโดรเจน ฟลูออรีน ออกซิเจน ไนโตรเจน แก๊สเฉื่อย และสารประกอบโคเวเลนต์ที่มีมวลโมเลกุลต่ำบางชนิด เช่น CO , CO2 , NH3 , SO2 มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง

 โดยปกติแก๊สมักจะหมายถึงสารที่มีสภานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ส่วนสารที่เป็นของเหลวที่ภาวะปกติ แต่ถูกเปลี่ยนแก๊สจะเรียกว่า ไอ (Vapour)

 แก๊สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อยมาก อนุภาคจะอยู่ห่างกันมากเมื่อเปรียบเทียบกับของเหลวและของแข็ง ดังนั้น เมื่อบรรจุแก๊สไว้ในภาชนะ แก๊สจึงแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ ทำให้มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามขนาดและรูปร่างของภาชนะ แก๊สมีความหนาแน่นต่ำกว่าของแข็งและของเหลวมาก สามารถบีบอัดให้มีปริมาตรลดลงได้

ประเภทของแก๊ส

1. แก๊สอุดมคติ (Ideal gas) เป็นแก๊สที่ไม่มีอยู่จริง นักวิทยาศาสตร์กำหนดขึ้นเพื่ออธิบายสมบัติต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับแก๊ส โดยให้มีพฤติกรรมเป็นไปตามกฎของแก๊สไม่ว่าที่อุณหภูมิหรือความดันใด แก๊สสมบูรณ์เป็นแก๊สที่ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล

2. แก๊สจริง (Real gas) หมายถึงแก๊สที่ไม่เป็นไปตามกฎต่าง ๆ ของแก๊สสมบูรณ์ เป็นแก๊สที่มีอยู่จริงในธรรมชาติ มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย แต่ในบางสภาวะแก๊สจริงอาจมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สสมบูรณ์ได้ คือที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำมาก ๆ แก๊สจริงที่มีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สสมบูรณ์มากที่สุดที่อุณหภูมิห้องและความดัน 1 บรรยากาศคือแก๊สเฉื่อย (Innert gas) สมบัติของแก๊สที่ศึกษากันได้แก่ มวล ปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ การนำความร้อน และการแพร่ เป็นต้น

+ เมื่อกล่าวถึงแก๊ส จะต้องระบุปริมาตร อุณหภูมิ และความดันด้วย เนื่องจากเป็นสมบัติเฉพาะของแก๊ส (Intensive properties)

– ปริมาตร(Volume)ในการวัดปริมาตรของแก๊สใช้หน่วยลูกบาศก์เดซิเมตร (dm3) หรือลิตร (litre) ถ้าเป็นหน่วยย่อยใช้หน่วยลูกบาศก์เซนติเมตร(cm3)
– อุณหภูมิ (Temperature) เครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิคือเทอร์มอมิเตอร์ เทอร์มอคัพเพิล และไพโรมิเตอร์ มาตรส่วนที่ใช้วัดอุณหภูมิคือ เซลเซียส (ํC) เคลวิน (K) ฟาเรนไฮต์ (F) และโรเมอร์ (R) สำหรับการคำนวณเรื่องแก๊สใช้ เคลวิน หรือเรียกว่าองศาสัมบูรณ์ (Absolute temperature)

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

เป็นทฤษฎีที่ตั้งขึ้นเพื่อใช้อธิบายกฎ ปรากฏการณ์ หรือผลการทดลองที่เกี่ยวกับแก๊ส และพฤติกรรมของแก๊ส

1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากที่มีขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่าอนุภาคของแก๊สไม่มีปริมาตรเมื่อเทียบกับขนาดภาชนะที่บรรจุ

2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันมาก ทำให้แรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างโมเลกุลน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระทำต่อกัน

3. โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วในแนวเส้นตรง เป็นอิสระ ด้วยอัตราเร็วคงที่ และไม่เป็นระเบียบ จนกระทั่งชนกับโมเลกุลอื่น ๆ หรือชนกับผนังภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางและอัตราเร็ว

4. โมเลกุลของแก๊สที่ชนกันเองหรือชนกับผนังภาชนะจะเกิดการถ่ายโอนพลังงานให้แก่กันได้ แต่พลังงานรวมของระบบคงที่

5. ณ อุณหภูมิเดียวกัน โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วไม่เท่ากัน แต่จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน โดยที่พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

+ แก๊สที่มีสมบัติเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สทุกประการเรียกว่า แก๊สอุดมคติ (Ideal gas) โดยปกติแก๊สทั่วไปจะมีสมบัติเคียงกับแก๊สอุดมคติเท่านั้น สำหรับแก๊สที่มีอนุภาคขนาดเล็ก เมื่อควบคุมให้อยู่ในภาวะที่มีปริมาตรมาก ความดันต่ำ และอุณหภูมิสูง จะมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติมากขึ้น โดยเฉพาะแก๊สเฉื่อยจะมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติมากจนอาจจัดเป็นแก๊สอุดมคติได้

กฎของบอยล์ (Boyle’s Law)

 เมื่อทดลองโดยใช้การกดและดึงก้านกระบอกฉีดยา สามารถใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอธิบายได้ว่าเมื่อปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาลดลงทำให้โมเลกุลของแก๊สอยู่ใกล้กันมากขึ้น จึงเกิดการชนกันเองและชนผนังภาชนะมากขึ้น เป็นผลให้ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับตอนเริ่มต้น ในทางตรงกันข้ามการเพิ่มปริมาตรของแก๊สในกระบอกฉีดยาทำให้โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน การชนกันเองของโมเลกุลของแก๊สและการชนผนังภาชนะน้อยลง ความดันของแก๊สในกระบอกฉีดยาจึงลดลง

จากผลการทดลองพบว่า ผลคูณของความดันกับปริมาตร (PV) ของแก๊สในการทดลองแต่ละครั้งมีค่าค่อนข้างคงที่ และพบว่าขณะที่อุณหภูมิคงที่ถ้าปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้นจะทำให้ความดันของแก๊สลดลง และเมื่อปริมาตรของแก๊สลดลง ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้น

กฎของชาร์ล

 มีใจความดังนี้ “เมื่อมวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน”

ซึ่งจากความสัมพันธ์ จะได้

กฎของเกย์ ลูสแซก

 เกย์–ลูสแซกได้ทำการทดลอง โดยให้ปริมาตรของแก๊สคงที่ เพื่อที่จะหาความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอุณหภูมิ ผลที่ได้คือ ความดันของแก๊สใด ๆ จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเมื่อปริมาตรคงที่

ดังนั้น

กฎรวมแก๊ส (Gas Law)

 เนื่องจากกฎของบอยล์และชาร์ลกล่าวถึงเฉพาะความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดัน และปริมาตรกับอุณหภูมิ แต่การเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติอาจเกิดขึ้นพร้อม ๆ กันดังนั้นจึงมีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิของแก๊สในขณะที่มวลคงที่ ดังนี้

และจากกฎรวมแก๊ส จะได้

เมื่อ P คือ ความดันของแก๊ส (atm , mmHg)
V คือ ปริมาตรของแก๊ส (cm3 , dm3)
n คือ จำนวนโมลของแก๊ส (mol)
T คือ อุณหภูมิในหน่วยเคลวิน (K)
R คือ ค่าคงที่ของแก๊ส (0.082058 dm3.atm / mol.K)
M คือ มวลโมเลกุลของแก๊ส (g/mol)
w คือ มวลของแก๊ส (g)

กฎการแพร่ของ เกรแฮม

 การแพร่ (Diffusion)หมายถึง กระบวนการที่โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า โดยโมเลกุลมีการชนกันตลอดเวลา

โทมัส เกรแฮม (Thomas Graham) พบว่า “อัตราการแพร่และอัตราการแพร่ผ่านของแก๊สจะแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่นของแก๊ส ภายใต้อุณหภูมิและความดันเดียวกัน”

ซึ่งจากความสัมพันธ์จะได้สูตร คือ

ที่มา: http://www.promma.ac.th/main/chemistry/solid_liquid_gas/prod03.htm