E-book

กฎแก๊สอุดมคติ จัดทำโดย นำยกติ ตภิ มู ิ ยุทธนำวำ ชัน้ ม.5/2 เลขท2ี่ 4 เสนอ คุรครูกำญจนำ แก้วคง โรงเรียนโพธิสัมพันธ์พิทยำคำร ปี กำรศกึ ษำ2563/1

คำนำ หนงั สอื เรอื่ งกฎแก๊สอดุ มคติ จดั ทำขนึ้ เพอื่ กำรศกึ ษำหำควำมรูแ้ ละภำยใน หนงั สอื มเี นอื้ หำเกยี่ วกบั วชิ ำเคมขี อง นกั เรยี นชนั้ มธั ยมศกึ ษำปีที่ 5 และผจู้ ดั ทำ หวงั วำ่ หนงั สอื กฎแก๊สอดุ มคตจิ ะมี ประโยชนต์ อ่ กำรเรยี นรูข้ องนกั เรยี น เพอื่ ทจี่ ะนำไปประยกุ ตใ์ ชพ้ ฒั นำกำร เรยี นรูท้ เี่ หมำะสม นำยกติ ตภิ ูมิ ยทุ ธนำวำ

สารบญั หน้า แก๊สอุดมคติ 1 สมบัตขิ องแก๊สอุดมคติ (Ideal gas) 4 กฎของแก๊สอุดมคต(ิ Ideal gas law) 6

1 แก๊สอุดมคติ (Ideal gas) แก๊ส (gas) คือ สถานะของสารท่ีมีสมบตั ิท่วั ไป ไดแ้ ก่ – แก๊สมีปรมิ าตรไมแ่ นน่ อน เปล่ยี นไปตามภาชนะท่ี บรรจุ เม่ือบรรจแุ ก๊สในภาชนะใดกจ็ ะมีรูปรา่ งเหมือน ภาชนะนนั้ เช่น แก๊สท่ีบรรจใุ นลกู โป่ง – เม่ือแก๊สอยใู่ นภาชนะท่ีเปล่ยี นแปลงรูปรูปรา่ งได้ ปรมิ าตรของแก๊สจะขนึั้ อยกู่ บั อณุ หภมู ิ ความดนั และ จานวนโมล เชน่ แก๊สคารบ์ อนไดออกไซด์ 1 โมล มี ปรมิ าตร 22.4 dm3 ท่ีอณุ หภมู ิ 00C ความดนั 1 บรรยากาศ หรอื ท่ีเรยี กวา่ STP (standard temperature and pressure) – แก๊สมีแรงยดึ เหน่ียวระหวา่ งโมเลกลุ นอ้ ยมาก จงึ ทา ใหแ้ ก๊สสามารถแพรไ่ ด้ และแพรไ่ ดอ้ ยา่ งรวดเรว็

2 – การผสมแก๊สตงั้ แตส่ องชนิดขนึ้ ไป จะเป็นสารละลาย (Solution) เน่ืองจากแก๊สแตล่ ะชนิดจะแพรผ่ สม กนั อยา่ งสมบรู ณท์ กุ สว่ น – แก๊สสว่ นใหญ่ไมม่ ีสีและโปรง่ ใสเ่ ช่นแก๊สออกซเิ จน (O2)แก๊สไฮโดเจน(H2) แก๊สคารบ์ อนไดออกไซด์ (CO2)แตแ่ ก๊สบางชนิดมีสี เช่น แก๊สไนโตเจนได ออกไซด์ (NO2) มีสนี า้ ตาลแดง แก๊สคลอรนี (Cl2) มี สเี ขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O3) ท่ีบรสิ ทุ ธิ์มีสนี า้ เงิน แก่ เป็นตน้

3 ปัจจบุ นั แก๊สอาจแบง่ ออกไดเ้ ป็นสามชนิด ดงั นี้ 1. แก๊สอะตอมเดย่ี ว (monatomic gas) หน่งึ โมเลกลุ ของแก๊สชนิดนีป้ ระกอบดว้ ยอะตอมเพียง อะตอมเดียวเชน่ แก๊สฮีเลียม(He) นีออน(Ne) อารก์ อน(Ar) 2. แก๊สอะตอมคู่ (diatomic gas) หน่งึ โมเลกลุ ของแก๊สชนิดนีป้ ระกอบดว้ ยอะตอม 2 อะตอม เช่น แก๊สไฮโดรเจน(H2) ออกซเิ จน (O2) ไนโตรเจน (N2) 3. แก๊สหลายอะตอม หน่งึ โมเลกลุ ของแก๊สชนิดนี้ ประกอบดว้ ยอะตอมตงั้ แต่ 3 อะตอม ขนึ้ ไป เชน่ แก๊ส โอโซน(O3) มีเทน(CH4) แอมโมเนีย (NH3) ซลั เฟอรไ์ ดออกไซด(์ SO2) เป็นตน้

4 สมบัตขิ องแก๊สอุดมคติ (Ideal gas) ในการศกึ ษาสมบตั ขิ องแก๊ส เพ่ือใหง้ า่ ยต่อ การศกึ ษา เราพจิ ารณาวา่ แก๊สเป็นแก๊สอดุ มคติ (Ideal gas) ซง่ึ นกั ฟิสิกสค์ นสาคญั ท่ีศกึ ษา สมบตั ิของแก๊สไดแ้ ก่ลุดวกิ เอดูอาล โบลตซ์ มานน์ (Ludwig Eduard Boltzmann) และ เจมส์ คลารก์ แมกซ์ เวลล์ (James Clerk Maxwell) ผลงานการศกึ ษาของพวกเขาได้ พฒั นามาเป็นทฤษฎีจลนข์ องแก๊สในปัจจบุ นั โดยมี แนวคดิ ท่ีวา่ สมบตั ทิ างกายภาพของแก๊สนนั้ อธิบายไดจ้ ากการเคล่อื นท่ีของแตล่ ะโมเลกลุ ของ แก๊สเหลา่ นนั้ โดยการใชแ้ บบจาลองหรอื ทฤษฎีใน ระดบั จลุ ภาค (microscopic model)

5 คือพิจารณาคณุ สมบตั ขิ องโมเลกลุ ของแก๊สเพียงหน่งึ หรอื สองโมเลกลุ เพ่ือเป็นตวั แทนของโมเลกลุ ลา้ นๆ โมเลกลุ ในระดบั มหภาค (macroscopic model) ซง่ึ แก๊สอดุ มคตมิ ีสมบตั ิดงั นี้ 1. แก๊สอดุ มคตปิ ระกอบดว้ ยอนภุ าคขนาดเลก็ มาก อาจเรยี กวา่ “point mass” โดยอนภุ าคขนาด เลก็ นีม้ ีมวลเกือบเป็นศนู ย์ น่นั หมายความว่าเรา สามารถอนมุ านใหแ้ ก๊สอดุ มคตไิ มม่ ีปรมิ าตร (no volume) 2. การชนกนั ระหวา่ งอนภุ าคแก๊สอดุ มคติเป็นการชน กนั แบบยดื หยนุ่ สมบรู ณ์ (perfectly elastic collision) กลา่ วคือ เป็นการชนกนั ของอนภุ าคท่ี ไมม่ ีการสญู เสียพลงั งานจลน์ หรอื ไมม่ ีแรงกระทา ระหวา่ งกนั ของอนภุ าค

6 กฎของแกส๊ อุดมคติ (Ideal gas ในกฎแlกa๊สรwวมเ)ป็นการศกึ ษาการเปล่ยี นแปลง สมบตั ิของแก๊สเก่ียวกบั ความดนั ปรมิ าตร และอณุ หภมู ิ แตย่ งั มีสมบตั ิท่ีควรคานงึ ถงึ อีก อยา่ งหน่งึ คือ ปรมิ าตรหรอื จานวนโมล(n)ของ แก๊สในระบบ จากกฎของอาโวกาโดรซง่ึ กลา่ ว ไวว้ า่ “ท่ีอณุ หภมู แิ ละความดนั เดียวกนั แก๊สท่ี มีปรมิ าตรเทา่ กนั จะมีจานวนอนภุ าคเท่ากนั ” นอกจากนีจ้ านวนโมลของแก๊ส ยงั มี ความสมั พนั ธโ์ ดนตรงกบั จานวนอนภุ าคและ ปรมิ าตรของแก๊สอีกดว้ ย กลา่ วคือแก๊ส 1 โมล จะมีจานวน 6.02 x 1023 อนภุ าคและ ปรมิ าตร 22.4 ลิตรหรอื ลกู บาศกเ์ ดซิเมตรท่ี STP

7 จงึ สามารถเขียนนิยามของกฎอาโวกาโดรไดว้ า่ ท่ีอณุ หภมู แิ ละความดนั คงท่ี ปรมิ าตรของแก๊สใด ๆPV=nRT โดยที่ V =เป็นปรมิ าตรของแก๊ส หนว่ ยเป็นลกู บาศก์ เมตร P =เป็นความดนั ของแก๊ส หนว่ ยเป็นปาสกาล (หรอื พาสคลั ) T =เป็นอณุ หภมู ิอณุ หพลวตั หนว่ ยเป็นเคลวิน n =เป็นจานวนโมลของแก๊ส R =เป็นคา่ คงตวั แก๊สอดุ มคติ (ประมาณ 8.3145 จลู ต่อ(โมล เคลวิน)

8 จากการทดลองและขอ้ สรุปของนกั วิทยาศาสตร์ หลายๆ คนท่ีศกึ ษาเร่อื งแก๊สเราจะเหน็ วา่ สมบตั ขิ อง แก๊สมีความสมั พนั ธก์ นั ดว้ ยตวั แปรคลา้ ยๆ กนั คือ ทกุ คนตา่ งก็ดทู ่ีปรมิ าตรของแก๊สท่ีเปล่ยี นไป ดว้ ยการ กาหนดตวั แปรตน้ แตกต่างกนั ออกไป บอยล์ เม่ือเปล่ยี นความดนั ของแก๊ส ปรมิ าตรจะ เป็นอยา่ งไร ชารล์ เม่ือเปล่ยี นอณุ หภมู ขิ องแก๊ส ปริมาตรจะ เป็นอยา่ งไร อาโวกาโดร เม่ือเปล่ยี นจานวนโมลหรอื จานวน โมเลกลุ ของแก๊ส ปรมิ าตรจะเป็นอยา่ งไร และทกุ คนก็ไดข้ อ้ สรุปดงั ท่ีไดน้ าเสนอกฏของทกุ คนมาแลว้ ถา้ เรารวบรวมกฎท่ีเก่ียวกบั แก๊สท่ีกลา่ ว มาแลว้ ทงั้ หมด เราจะไดค้ วามสมั พนั ธด์ งั นี้

9 กฏของบอยล์ กฎของชารล์ กฏของอาโวกาโดร เราสามารถรวมกฎท้งั สามน้ีเขา้ เป็นสมการรวมเพียง สมการเดียวไดด้ งั น้ี เมื่อ P = ความดนั V = ปรมิ าตร n = จานวนโมล T = อณุ หภมู (ิ เคลวิน ,K)

10 R = คา่ คงท่ีของแก๊ส (gas constant) จากตวั แปรทงั้ 4 ตวั คือ ความดนั (P), ปรมิ าตร(V), จานวนโมล(n) และอณุ หภมู ิ (T) เราสามารถหาค่า R ไดจ้ ากการแทนคา่ ตวั แปรทงั้ ส่ใี นสมการแก๊สอดุ มคติ แก๊สอดุ มคติ 1 โมล ท่ีสภาวะมาตรฐาน ความดนั เทา่ กบั 1 บรรยากาศ อณุ หภมู ิ 273 K มีปรมิ าตร 22.4 ลิตร เราจะสามารถคานวณหา คา่ คงท่ีของแก๊สไดด้ งั นี้ จาก นอกจากนีค้ า่ คงท่ี R ยงั มีไดอ้ ีกในหลายหน่วย ดงั นี้