แก๊ส

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

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

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

ตั้งชื่อตามโรเบิรต์ บอยล์ ได้ให้ใจความว่า ที่อุณหภูมิคงตัว ความดันของแก๊สจะแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊สนั้นๆ ดังสมการ PV = k

ตั้งชื่อตาม เซซา- ชาร์ล ได้ให้ใจความว่า ถ้าความดันคงตัว ปริมาตรจะแปรแปรผันตรงกับอุณหภูมิอุณหพลวัตของแก๊สนั้น ๆ หรือผลหารของปริมาตรกับอุณหภูมิอุณหพลวัตมีค่าคงตัวเสมอ ดังสมการ

ตั้งชื่อตาม โจเซฟ หลุยส์ เก-ลูซัก มีใจความสำคัญคล้ายกฎของชาร์ล คือ ถ้าปริมาตรคงตัว ความดันของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิอุณหพลวัตของแก๊สนั้นๆ

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

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

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

สาเหตุที่ก๊าซมีปริมาตรไม่แน่นอนซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาตรของภาชนะ เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซมีขนาดเล็ก อยู่ห่างกัน และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยมากจนถือว่าไม่มีเลย ดังนั้นเมื่อบรรจุก๊าซไว้ในภาชนะใดก็ตามโมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งภาชนะได้อย่างอิสระ ก๊าซจึงมีปริมาตรไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับปริมาตรของภาชนะ

เนื่องจากโมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ตลอดเวลา ชนกันเองบ้าง ชนกับผนังภาชนะบ้าง การที่โมเลกุลของก๊าซเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะตลอดเวลาทำให้เกิดแรงดัน ผลรวมของแรงดันทั้งหมดที่มีต่อหน่วยพื้นที่ก็คือความดัน

หมายถึงกระบวนการที่ก๊าซเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งผ่านรูที่เล็กมาก ๆ ออกสู่บริเวณอื่นโดยโมเลกุลไม่ชนกันเอง เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลก๊าซตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป เข้าไปในบริเวณหนึ่ง ๆ ที่มีความเข้มข้นต่างกันโดยที่โมเลกุลก๊าซแต่ละชนิดสามารถสอดแทรกผสมกลืนกัน หรืออาจชนกันระหว่างโมเลกุลของก๊าซที่เคลื่อนที่ผ่านนั้นได้