แก๊ส

อนุภาคในสถานะแก๊ส (อะตอม โมเลกุล หรือไอออน) เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในสนามแม่เหล็ก

แก๊ส หรือที่เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า ก๊าซ (อังกฤษ: Gas) เป็นหนึ่งในสถานะพื้นฐานทั้งสี่ของสสาร (ที่เหลือ คือ ของแข็ง ของเหลวและพลาสมา) แก๊สบริสุทธิ์ประกอบไปด้วยอะตอมเดี่ยว เช่น แก๊สมีสกุล ส่วนแก๊สที่เป็นธาตุเคมี จะอยู่ในรูปหลายอะตอม แต่เป็นชนิดเดียวกัน เช่น ออกซิเจน หรือเป็นโมเลกุลสารประกอบที่อยู่ในรูปหลายอะตอมและต่างชนิดกัน เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สผสม เป็นแก๊สที่เกิดจากแก๊สบริสุทธิ์หลายชนิดรวมกัน เช่น อากาศ สิ่งที่แตกต่างระหว่างแก๊สที่ในอุณหภูมิห้องเป็นของเหลวกับแก๊สที่ในอุณหภูมิห้องเป็นของแข็ง คือโมเลกุลของแก๊ส และการแยกนี้ทำให้มีแก๊สไม่มีสี ซึ่งทำให้เรามองไม่เห็น การทำงานร่วมกันของอนุภาคของแก๊สมีขึ้นในสนามแม่แหล็กและแรงโน้มถ่วง แก๊สประเภทหนึ่งที่รู้จักกันดีคือ ไอน้ำ แก๊สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อยมากจะอยู่ห่างกันและแพร่กระจายอยู่ทั่วทั้งภาชนะที่บรรจุ ทำให้มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามขนาดและรูปร่างของภาชนะ

สมบัติของแก๊ส

1.แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ บรรจุในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่น ถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร เพราะแก๊สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อยมากจึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ

2.ถ้าให้แก๊สอยู่ให้ภาชนะที่ได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล

3.สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของแข็งและของเหลวมาก

4.แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็ว เพราะแก๊สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง

5.แก๊สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ในภาชนะเดียวกันแก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วนนั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสารเดียวหรือเป็นสารละลาย

6.แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใสเช่นแก๊สออกซิเจน แก๊สไฮโดรเจน เป็นต้น

สมบัติทางกายภาพ

อนุภาคของควันจะเป็นตัวกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ของแก๊สโดยรอบ

เนื่องจากแก๊สส่วนใหญ่ไม่สามารถที่จะตรวจสอบสมบัติได้โดยตรง พวกมันจะถูกอธิบายสมบัติโดยใช้สมบัติทางกายภาพสี่ประการ หรือสมบัติมาโครสโกปิก อันได้แก่ ความดัน ปริมาตร จำนวนอนุภาค (นักเคมีแบ่งกลุ่มเป็นโมล) และอุณหภูมิ สมบัติทั้งสี่นี้มักจะถูกสังเกตโดยนักวิทยาศาสตร์ เช่น โรเบิร์ต บอยล์ ฌัก ชาร์ลส์ จอห์น ดอลตัน โฌแซ็ฟ แก-ลูว์ซัก และอาเมเดโอ อาโวกาโดร สำหรับแก๊สแต่ละชนิดในสภาพที่ต่างกัน รายละเอียดของพวกมันได้นำไปสู่ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ท่ามกลางสมบัติเหล่านี้ ซึ่งแสดงได้โดยกฎแก๊สอุดมคติ

เมื่อเทียบกับสถานะอื่นๆของสสารแล้ว แก๊สมีความหนาแน่นและความหนืดต่ำ ความดันและอุณหภูมิมีผลต่ออนุภาคภายในแก๊สที่มีปริมาตรแน่นอน

ประเภทของแก๊ส

ประเภทของแก๊ส แบ่งออกได้ 2 ประเภท

1. แก๊สสมบูรณ์ ( Ideal gas ) หรือก๊าซอุดมคติ หมายถึง ก๊าซที่มีสมบัติเป็นไปตามกฎต่างๆของก๊าซ ไม่ว่าที่ภาวะใดๆก็ตาม
2. แก๊สจริง ( Real gas ) หมายถึง ก๊าซที่มีอยู่ในธรรมชาติทั่วๆไป ซึ่งจะไม่เป็นไปตามกฎต่างๆตามก๊าซสมมติทุกประการ โดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำและความดันสูงมากๆ

กฎของแก๊ส

เป็นกฎที่ใช้สำหรับอธิบายสมบัติต่าง ๆ ของแก๊ส ได้แก่ ปริมาตร (V) ความดัน (P) และอุณหภูมิอุณหพลวัต (T) ของแก๊สนั้น ๆ กฎของแก๊สที่เราควรรู้จัก ประกอบด้วยกฎของบอยล์ กฎของชาร์ล และกฎของเก-ลูซัก (บางครั้งเขียนว่า "กฎของเก-ลัสแซก" หรือ "กฎของเกย์ลูสแซก") นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับแก๊ส และได้ตั้งกฎและทฤษฎีขึ้นมามากมายเพื่อที่จะอธิบายสมบัติ

กฎของบอยล์

ตั้งชื่อตามโรเบิรต์ บอยล์ ได้ให้ใจความว่า ที่อุณหภูมิคงตัว ความดันของแก๊สจะแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊สนั้นๆ ดังสมการ PV = k

หรือเขียนได้อีกแบบดังนี้

P₁V₁ = P₂V₂

โดยที่

P เป็นความดันของแก๊ส , V เป็นปริมาตรของแก๊ส

กฏของชารล์

ตั้งชื่อตาม เซซา- ชาร์ล ได้ให้ใจความว่า ถ้าความดันคงตัว ปริมาตรจะแปรแปรผันตรงกับอุณหภูมิอุณหพลวัตของแก๊สนั้น ๆ หรือผลหารของปริมาตรกับอุณหภูมิอุณหพลวัตมีค่าคงตัวเสมอ ดังสมการ

${\frac {V}{T}}=k$ เมื่อ k คือค่าคงที่ค่าหนึ่ง

หรือเขียนได้อีกแบบหนึ่งดังนี้

${\frac {V_{1}}{T_{1}}}={\frac {V_{2}}{T_{2}}}$

โดยที่

• V เป็นปริมาตรของแก๊ส
• T เป็นอุณหภูมิอุณหพลวัต หน่วยเป็นเคลวิน

กฎของเก-ลูซัก

ตั้งชื่อตาม โจเซฟ หลุยส์ เก-ลูซัก มีใจความสำคัญคล้ายกฎของชาร์ล คือ ถ้าปริมาตรคงตัว ความดันของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิอุณหพลวัตของแก๊สนั้นๆ

${\frac {P}{T}}=k$

หรือเขียนได้อีกแบบหนึ่งดังนี้

${\frac {P_{1}}{T_{1}}}={\frac {P_{2}}{T_{2}}}$

โดยที่

• P เป็นความดันของแก๊ส
• T เป็นอุณหภูมิอุณหพลวัต หน่วยเป็นเคลวิน

กฎรวมแก๊ส

จากกฎทั้งสามกฎข้างต้น นำมารวมได้เป็นกฎรวมแก๊ส ดังสมการ \frac {P_1V_1} {T_1} = \frac {P_2V_2} {T_2} ซึ่งจากกฎรวมแก๊ส เราสามารถเปลี่ยนให้เป็นกฎของแก๊สอุดมคติ หรือกฎแก๊สสมบูรณ์ โดยอาศัยกฎของอาโวกาโดร ได้ดังสมการ \qquad\qquad P V = n R T โดยที่

• V เป็นปริมาตรของแก๊ส หน่วยเป็นลูกบาศก์เมตร
• P เป็นความดันของแก๊ส หน่วยเป็นปาสกาล (หรือพาสคัล)
• T เป็นอุณหภูมิอุณหพลวัต หน่วยเป็นเคลวิน
• n เป็นจำนวนโมลของแก๊ส
• R เป็นค่าคงตัวแก๊สอุดมคติ (ประมาณ 8.3145 จูลต่อ (โมล เคลวิน) )

นอกเหนือจากกฎที่ได้อธิบายไปแล้ว ก็ยังมีกฎการแพร่ของแกรห์ม (หรือบางทีเขียนเป็น เกรแฮม) ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส และกฎความดันย่อยของดาลตัน ซึ่งสามารถนำมาใช้อธิบายพฤติกรรมของแก๊สอุดมคติได้เช่นเดียวกัน อย่างไรก็ดี แก๊สอุดมคติอยู่ในสภาวะที่สมมติขึ้นมา กฎเหล่านี้จึงไม่สามารถอธิบายพฤติกรรมที่แท้จริงของแก๊สปกติได้

ทฤษฎีจลน์ของแก๊สใช้อธิบายสมบัติของแก๊ส

1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากจนถือว่าอนุภาคแก๊สไม่มีปริมาตรเมื่อเทียบกับขนาดภาชนะที่บรรจุ
2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน ทำให้แรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างโมเลกุลน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระทำต่อกัน
3. โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วในแนวเส้นตรง เป็นอิสระด้วยอัตราเร็วคงที่และไม่เป็นระเบียบจนกระทั่งชนกับโมเลกุลอื่นหรือชนกับผนังภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางและอัตราเร็ว
4. โมเลกุลของแก๊สที่ชนกันเองหรือชนกับผนังภาชนะ จะเกิดการถ่ายโอนพลังงานให้แก่กันได้แต่พลังงานรวมของระบบมีค่าคงที่
5. อุณหภูมิเดียวกัน โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วไม่เท่ากัน แต่จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน โดยที่พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

ก๊าซที่มีสมบัติครบถ้วนตามทฤษฎีจลน์เรียกว่า ก๊าซสมบูรณ์ ซึ่งไม่มีจริง ก๊าซจริงอาจมี สมบัติใกล้เคียงกับก๊าซสมบูรณ์ได้ ถ้าอยู่ในระบบที่อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ก๊าซ ส่วนใหญ่โดยเฉพาะก๊าซเฉื่อยที่อุณหภูมิห้อง ความดัน 1 บรรยากาศ มีสมบัติใกล้เคียง กับก๊าซสมบูรณ์

ทฤษฎีจลน์อธิบายปริมาตรของแก๊ส

สาเหตุที่แก๊สมีปริมาตรไม่แน่นอนซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาตรของภาชนะ เนื่องจากโมเลกุลของแก๊สมีขนาดเล็ก อยู่ห่างกัน และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยมากจนถือว่าไม่มีเลย ดังนั้นเมื่อบรรจุก๊าซไว้ในภาชนะใดก็ตามโมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งภาชนะได้อย่างอิสระ ก๊าซจึงมีปริมาตรไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับปริมาตรของภาชนะ

ทฤษฎีจลน์อธิบายความดันของแก๊ส

เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ตลอดเวลา ชนกันเองบ้าง ชนกับผนังภาชนะบ้าง การที่โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะตลอดเวลาทำให้เกิดแรงดัน ผลรวมของแรงดันทั้งหมดที่มีต่อหน่วยพื้นที่ก็คือความดัน

ทฤษฏีจลน์อธิบายกฏของแก๊ส

1. เมื่ออุณหภูมิคงที่ ถ้าเราทำให้ปริมาตรของก๊าซลดลง ความดันของอากาศในภาชนะจะเพิ่มขึ้น เพราะโมเลกุลของก๊าซจะชนผนังภาชนะมากขึ้น ทำให้มีแรงดันเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม ถ้าทำให้ปริมาตรของอากาศเพิ่มขึ้น ความดันก็จะลดลง ทั้งนี้เพราะโมเลกุลของอากาศชนภาชนะด้วยความถี่น้อยลง
2. เมื่อความดันคงที่ เหตุที่อากาศมีปริมาตรเพิ่มขึ้น เมื่อได้รับความร้อนเพราะ เมื่ออุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้น อัตราเร็วเฉลี่ยของอากาศจะเพิ่มขึ้น โมเลกุลจึงชนผนังของภาชนะบ่อยและแรง ทำให้อากาศภายในภาชนะมีแรงดันมากกว่าความดันภายนอก ( ซึ่งคงที่ ) อากาศจึงดันน้ำในภาชนะออกให้อากาศมีปริมาตรเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม เมื่ออุณหภูมิของอากาศในภาชนะลดลงจึงมีผลให้ อัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลลดลงจากเดิมจึงชนได้ช้าและเบากว่าเดิม ดังนั้นความดันของอากาศในภานะจึงต่ำกว่าความดันของอากาศภายนอก ( ซึ่งคงที่ ) เป็นผลให้ความดันภายนอกดันน้ำให้เข้าไปในภาชนะทำให้อากาศในภาชนะมีปริมาตรลดลง
3. เมื่อเพิ่มอุณหภูมิ ทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่เร็วขึ้นโอกาสที่จะชนกันเอง และชนภาชนะก็จะแรงและบ่อยขึ้น เป็นผลให้ความดันมากขึ้น ( เมื่อปริมาตรยังคงเดิม )

การแพร่ของแก๊ส

หมายถึงกระบวนการที่ก๊าซเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งผ่านรูที่เล็กมาก ๆ ออกสู่บริเวณอื่นโดยโมเลกุลไม่ชนกันเอง เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก๊าซตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป เข้าไปในบริเวณหนึ่ง ๆ ที่มีความเข้มข้นต่างกันโดยที่โมเลกุลก๊าซแต่ละชนิดสามารถสอดแทรกผสมกลืนกัน หรืออาจชนกันระหว่างโมเลกุลของก๊าซที่เคลื่อนที่ผ่านนั้นได้

• อัตราการแพร่ของก๊าซ คือ อัตราส่วนระหว่างระยะทางของก๊าซที่เคลื่อนที่จากจุดเริ่มต้น ไปยังจุดจุดหนึ่งในแนวเส้นตรงต่อเวลา
• กฏการแพร่ผ่านของแกร์ม : ที่อุณหภูมิและความดันค่าหนึ่ง อัตราการแพร่ของก๊าซจะแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมเลกุลของแก๊ส

เนื่องจากน้ำหนักโมเลกุลของแก๊สผันตรงกับความหนาแน่นจะได้

• r1 และ r2 คือ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊สชนิดหนึ่งที่ 1 และ 2

• M1 และ M2 คือ มวลต่อโมลของแก๊สชนิดที่ 1 และ 2

• d1 และ d2 คือ มวลต่อโมลของแก๊สชนิดที่ 1 และ 2