_แก๊ส

บทนำ สสารทั้งหลายมีสถานะสำคัญอยู่ 3 สถานะคือของแข็ง (solid) ของเหลว (liquid) หรือแก๊ส(gas) หรือบางทีอาจ จะนับพลาสมา (แก๊สในสภาพที่มีประจุ) ผลึกเหลว (liquid crystal) และเกลือ หลอมเหลว (molten salt state) เป็น สถานะเพิ่มเติมด้วยในบทนี้เราจะกล่าว ถึงเฉพาะสสารที่อยู่ในสถานะแก๊ส แก๊สมีสมบัติทางกายภาพที่สำคัญอะไร บ้าง เพื่อที่จะเข้าใจ ปรากฏการณ์บาง อย่างที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวัน รวมถึง การนำเอาความรู้เรื่องแก๊สไปใช้ ประโยชน์ต่อไป

ถ้ากล่าวถึง ความแตกต่างระหว่าง ของแข็ง ของเหลวและแก๊ส ก็พอจะ จำแนกได้ง่ายๆ ดังนี้สารที่อยู่ในสถานะ ของแข็งมีการจัดเรียงตัวของอนุภาค องค์ประกอบใกล้ชิดกัน และอนุภาค ของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แต่ก็สั่นไปมา ได้เล็กน้อยเนื่องจากมีช่องว่างระหว่าง โมเลกุลน้อยมากส่วนของเหลวสามารถ เคลื่อนไหวได้ แต่ก็เคลื่อนที่ได้น้อยกว่า สารที่อยู่ในสถานะแก๊สซึ่งเคลื่อนที่ได้ อย่างอิสระ แก๊สเป็นสสารที่มีความหนา แน่นน้อยมาก ซึ่งไม่มีรูปร่างที่แน่นอน เหมือนของแข็ง ไม่มีปริมาตรที่แน่นอนเหมือนของเหลว และของแข็ง แต่แก๊สจะบรรจุอยู่เต็ม ภาชนะที่บรรจุ คือโมเลกุลของแก๊สเมื่อ เข้าไปอยู่ในภาชนะใดๆ แม้จะมีหนึ่ง อะตอม สองอะตอม หนึ่งโมเลกุล สอง โมเลกุล หรือหลายๆ โมเลกุล แก๊สก็จะ เคลื่อนที่ไปมาตลอด

บริเวณที่แก๊สเคลื่อนที่ได้ก็คือปริมาตร ของภาชนะที่บรรจุอยู่ เพราะว่าแก๊สมี การเคลื่อนที่ตลอดเวลา ภายใต้การ เคลื่อนที่ไปมาย่อมเกิดการชนกัน ระหว่างโมเลกุลและชนกับผนังภาชนะ การชนกันเหล่านี้ทำให้แก๊สเกิดมีความ ดันเมื่อเราต้องการจะเข้าใจธรรมชาติ ของแก๊สที่มีอยู่ เพื่อจะสามารถค้นหา อะไรบางอย่างจากธรรมชาติของแก๊ส ต่างๆ เราจะต้องเข้าใจธรรมชาติของ แก๊สเหล่านั้น เมื่อเป็นความพยายามที่ อยากจะเข้าใจธรรมชาติก็ต้องหา หนทางมาอธิบายรวมทั้งหลักฐานต่างๆ มายืนยันสิ่งที่เกิดขึ้นนั้น ใครทำนายได้ ถูกต้องแม่นยำที่สุดด้วยหลักการและ หลักฐานอะไรก็แล้วแต่ ก็จะได้รับการ ยอมรับจากคนอื่นๆ ในที่สุด

สมบัติของสาร สมบัติของ ของแข็ง ของเหลว และ แก๊ส

สมบัติของของแข็ง 1. ปริมาตรคงที่ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดภาชนะที่บรรจุ 2. มีรูปร่างคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามรูปร่างของ ภาชนะ 3. มีอนุภาคอยู่ชิดติดกันอย่างมีระเบียบ 4. สามารถระเหิดได้ โมเลกุลของสารในสถานะของแข็งจะอยู่ชิด กันมาก ของแข็งจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง โมเลกุลสูงกว่าในสถานะของเหลว ทำให้ ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรแน่นอน ไม่ เปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ โมเลกุลของ ของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แตก็มีการสั่น สะเทือนอยู่ตลอดเวลา

การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง 1. การหลอมเหลว(MELTING) คือ กระบวนการ ที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่ อุณหภูมิหนึ่งขณะที่ของแข็งหลอมเหลว อุณหภูมิจะคงที่เรียกว่า จุดหลอมเหลวของแข็ง บริสุทธิ์ต่างชนิดกันมีจุดหลอมเหลวต่างกัน เพราะของแข็งแต่ละชนิดมีแรงยึดเหนี่ยวแตก ต่างกันและจุดหลอมเหลวเป็นสมบัติเฉพาะตัว ของสารที่เป็นของแข็ง 2.การระเหิด(SUBLIMATION)คือ กระบวนการ ที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นไอโดยไม่ต้อง เปลี่ยนเป็นของเหลวก่อนส่วนมากของแข็งที่ ระเหิดได้เป็นของแข็งที่อนุภาคมีแรงยึดเหนี่ยว กันน้อยเช่นลูกเหม็น (แนพทาลีน) การบูร ไอโอดีน น้ำแข็งแห้ง(CO2(S))

ชนิดของผลึก ผลึกของของแข็ง แบ่งเป็น 4 ชนิด คือ 1. ผลึกไอออนิก (IONIC CRYSTAL) อนุภาค ของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกและ ไอออนลบเรียงตัวสลับกันไปในลักษณะสามมิติ แข็งแต่เปราะมีจุดหลอมเหลวแลจุดเดือดสูง ขณะเป็นของแข็งไม่นำไฟฟ้าแต่เมื่อ หลอมเหลวหรืออยู่ในรูปสารละลายจะสามารถ นำไฟฟ้าได้ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ ได้แก่ สารประกอบออกไซด์ของโลหะหมู่1 และ หมู่ 2 เกลือเฮไลด์ของโลหะ

2.ผลึกโมเลกุล(MOLECULARCRYSTAL) อนุภาคของผลึกประเภทนี้อาจเป็นอะตอมหรือ โมเลกุลแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคอาจเป็น แรงดึงดูดระหว่างขั้วของโมเลกุล หรือเป็นแรง แวนเดอร์วาลส์ ผลึกประเภทนี้ค่อนข้างอ่อนหรือนิ่ม เช่น ผลึก ของไอโอดีน

3.ผลึกโคเวเลนต์ ร่างตาข่าย(COVALENTCRYSTAL) อนุภาค ของผลึกประเภทนี้จะเป็นอะตอม มีการยึด เหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เช่น เพชร อะตอมองค์ประกอบแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยว กับอะตอมข้างเคียงสีอะตอมด้วยพันธะ โคเวเลนต์ที่แข็งแรงผลึกประเภทนี้มี จุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูงมากมีความดัน ไอต่ำและไม่ละลายตัวในสารละลายใดๆ ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ คือ เพชร และแกรไฟต์

4. ผลึกโลหะ(METALLIC CRYSTAL) อนุภาค ของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกที่อยู่ท่าม กลางเวเลนต์อิเล็กตรอนแต่ละอิเล็กตตรอน เคื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งก้อนของโลหะผลึก ประเภทนี้มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง ดึงให้เป็นแผ่นและตีเป็นเส้นได้ง่าย ตัวอย่าง โลหะโดยทั่วไป เช่น เหล็ก เงิน และ ทองคำ เป็นต้น

การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง ธาตุต่างๆ บางชนิดในธรรมชาติจะมีการจัด เรียงตัวของอะตอมในรูปของโมเลกุลได้หลาย รูปแบบ เราเรียกว่าอัญรูป (ALLOTROPE) ของ ธาตุเช่นกำมะถันมีโครงสร้างผลึกเป็นรอ บิก(RHOMBIC)และมอนอคลินิก (MONOCLINIC) การที่สารสามารถเปลี่ยนโครงสร้างจากแบบ หนึ่งไปอีกแบบหนึ่งได้ภายใต้ภาวะอุณหภูมิ และความดันค่าหนึ่ง เราเรียกอุณหภูมินี้ว่า จุด แทรนซิชัน (TRANSITION POINT)

การเปลี่ยนแปลงอัญรูปของกำมะถัน กำมะถันมีหลายอัญรูป ได้แก่ รอมบิก (ออร์ โทรอมบิก มอนอคลินิก พลาสติก) กำมะถัน รอมบิก (S) มอีสะูตตอรโมมต่เอลกกัุนลเดป้็วนยพSัน8ปธระะโกคอวบเวดเ้ลวนย กำมะถัน 8 ต์ เป็นวง 8 เหลี่ยมรูปมงกุฎไม่ละลายน้ำแต่ละ ลายในคาร์บอนไดซัลไฟต์ หรือ โทลูอีน หเมืล่ออนมำเมหาลใวห้ทีค่อุวณามหร้ภอูมนิ อ11ย่3าง.Cรวแดตเ่รถ็้วาจใะห้ความร้อน 1มอ1ยอ่9านง.Cอช้คมาีลๆสิูนจติะกรเทกโีิ่มอดุณเกลหกาุรภลูเมปSิ ล9ีเ่ยห6นม.Cืแอซปนึ่งลกมงำีจเมุปด็ะนถหักนลำรอมอมะมเถหับนิลกว เมื่อหลอมเหลวจะกลายเป็นของเหลวสีเหลือง แสูงต่ถไึงห1ล6ไ0ด้.Cดี ถ้าให้ความร้อนต่อไป จนอุณหภูมิ วง S จะแตกออกเป็นสายยาวมี ลโัคกรษงณสระ้าข้งนเเมหื่อนีอุยณวแหลภูะมมิี2สี0เข0้ม0ข้C.นมวีงสูกตำรมะถัน จะ แตกออกหมดต่อกันเป็นสายาวหรืออาจม้วนพัน กันไปมากกลายไปมากลายเป็นของเหลวสีเข้ม ข้นและเหนียว

ถ้าเทลงน้ำเย็นทันทีเพื่อให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว จะได้กำมะถันพลาสติกซึ่งประกอบด้วยสายโซ่ กำมะถันขดเป็นเกลียวแบบก้นหอยแต่ไม่ เสถียร มีลักษณะเป็นก้อนแข็งเหนียวไม่ละลาย ในตัวทำละลายในตัวทำละลายทุกชนิด หลัง จากนั้นกำมะถันพลาสติกจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็น กำมะถันรอมบิกที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าไม่เทกำมะถันลงในน้ำเย็นโดยให้ความ ร้อนต่อไปกำมะถันเหลวจะมีความเหนียวลดลง 4เพ4ร4า.ะ6สา.Cยกจำึงมเดะืถอันดมกีขลนายาเดป็สัน้นไลองสีจนน้ำถตึงาอลุณไปหขภูอมิง กำมะถันจะประกอบด้วยโมเลกุลของ S8 ,S4 ,S2ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิลักษณะผลึกของกำมะถัน กำมะถันรอมบิกจะเป็นผลึกรูปเหลี่ยมสีเหลือง ส่วนกำมะถันมอนอคลินิกมีลักษณะเป็นผลึกรูป เข็ม

สมบัติของของเหลว ถ้าลดอุณหภูมิและเพิ่มความดันให้กับก๊าซ ก๊าซจะกลายเป็นของเหลวเนื่องจากมีช่องว่าง อยู่ทั่วไปและมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของ ของเหลวและแรงดึงดูด ของโลกที่กระทำต่อของเหลว ของเหลวจึงไหล ได้และรูปร่างไม่แน่นอน เปลี่ยนไปตามภาชนะ ที่บรรจุการระเหยจะเกิดขึ้นที่ผิวของเหลว ระหว่างที่ของเหลวระเหยพลังงานจลน์เฉลี่ย ของของเหลวที่เหลือจดลดลง ของเหลวจึงดูด พลังงานจากสิ่งแวดล้อมเข้ามาแทนพลังงาน ส่วนที่เสียไปและหลักการระเหยนี้ใช้อธิบาย เมื่อเหงื่อระเหยไปจากร่างกายเราจึงรู้สึก เย็นและการทำความเย็นในตู้เย็นหรือเครื่อง ทำความเย็นความดันไอกับจุดเดือดของ ของเหลว

ความดันไอ (VAPOUR PRESSURE)

ถ้าเอาของเหลวใส่ในภาชนะที่ไม่มีฝาปิด เมื่อ ตั้งทิ้งไว้นานๆ ของเหลวจะมีปริมาตรลดลง และในที่สุดจะหมดไป ทั้งนี้เพราะว่าของเหลว นั้นได้ระเหยกลายเป็นไอไปสู่อากาศ แต่ถ้าเอา ของเหลวชนิดเดียวกันนี้ใส่ในภาชนะปิด ไม่ว่า ตั้งทิ้งไว้นานเท่าใดของเหลวนั้นจะมีปริมาตร ลดลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทั้งนี้เพราะว่า เมื่อ ของเหลวกลายเป็นไอ โมเลกุลที่ระเหยเป็นไอ หนีไปสู่อากาศไมได้ยังคงอยู่ในภาชนะบริเวณที่ ว่างเหนือของเหลวนั้น โมเลกุลของไอเหล่านี้จะ เคลื่อนที่ชนกันเอง ชนผิวของของเหลว และ ชนกับผนังภาชนะ โมเลกุลที่เคลื่นที่ชนผิวหน้า ของของเหลวส่วนใหญ่จะถูกของเหลวดูดกลับ ลงไปเป็นของเหลวอีก ซึ่งเรียกว่า “ไอควบแน่นของของเหลว” เมื่อ เวลาผ่านไปปริมาณไอมากขึ้นทำให้อัตราการ ควบแน่นเพิ่มขึ้น โมเลกุลที่ยังคงอยู่ในสภาพไอ ทำให้เกิด

แรงกระทำต่อภาชนะ หรือมีความดันเกิดขึ้นใน ภาชนะ ซึ่งเรียกว่า “ ความดันไอ” และความดัน นี้จะมีค่ามากขึ้นเมื่อตั้งทิ้งไว้นานๆ ทั้งนี้เพราะ โมเลกุลที่ไอมีมากขึ้นเนื่องจากอันตราการ ระเหยมากกว่าอัตราการที่ไอควบแน่นเป็น ของเหลว จนในที่สุดความดันไอจะมีค่าคงที่ค่า หนึ่ง เพราะมีจำนวนโมเลกุลที่เป็นไอคงที่ เนื่องจากอัตราการระเหยกลายเป็นไอมีค่า เท่ากับอัตราที่ไอควบแน่นเป็นของเหลว เราเรียกภาวะนี้ว่า “ภาวะสมดุล” แต่เนื่องจากที่ ภาวะสมดุลนี้ระบบมิได้หยุดนิ่ง ยังคงมีทั้งการ ระเหยกลายเป็นไอและไอควบแน่นเป็น ของเหลว แต่เกิดในอัตราที่เท่ากัน จึงเรียก ภาวะสมดุลลักษณะเช่นนี้ว่า “สมดุไดนามิก (DYNAMIC EQUILIBRIUM)” ส่วนความดัน ไอในขณะนี้ซึ่งเป็น ความดันไอที่มีค่าสูงสุดเรียกว่า “ความดันไอสมดุล” หรือเรียกสั้นๆว่า ความดัน ไอ

สรุปความหมายสมดุลไดนามิก เป็นสมดุลของระบบที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้า และปฏิกิริยาย้อนกลับ เกิดขึ้นตลอดเวลา ด้วย อัตราเร็วเท่ากัน ดังนั้น ถึงแม้ว่าเราจะไม่ สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิด ขึ้นในภาวะสมดุลก็ตาม ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงไปและกลับอยู่ ตลอดเวลา

ปัจจัยที่มีผลต่อความดันไอของของเหลว 1.) อุณหภูมิ - ที่อุณหภูมิสูง ของเหลวจะกลายเป็นไอได้มาก จึงมีความดันไอสูง - ที่อุณหภูมิต่ำ ของเหลวจะกลายเป็นไอได้ จึงมีความดันไอต่ำ 2) ชนิดของของเหลว - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล มาก จะระเหยได้ยาก จึงมีความดันไอต่ำ มีจุดเดือดสูง

สมบัติของแก๊ส สมบัติทั่วไปของแก็ส สมบัติทั่วไปของแก็ส ได้แก่ น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถ เคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ 2. ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลง ปริมาตรได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อ บอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊ส ออุอณกหซิภเูจมิน01.Cโคมลวามมีปดัรินมา1ตบรรร2ย2า.4กาDศM(S3TทีP่ ) 3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อย กว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 ทGี่1/0C0M.3Cแต่น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 G/CM3

4. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะ แก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่า ของเหลวและของแข็ง 5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ ในภาชนะเดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสม กันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของ แก๊สเป็นสารเดียว หรือเป็นสารละลาย (SOLUTION) 6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊ส นอเเเคชหป้อา็่ำนนลรตกื์บอตซาแ้ิงอลเนกจน๊แแสนไกดไ๊(ดสนงOอโโแ2ออ)ตกแโก๊เสซกไจ๊คซนสนลดไไ(์ฮอดO(โCร3อีดน)Oอเท(ก2ีจC่)บไนแl2ซร(ต)ิH่สดมุ์แท2ี()สกีธN๊ิแเส์มขOีกบี๊สย2สีา)นวง้แมชำีเกสนงีิิมนดแมีกส่ี

กฏของแก๊สจริงและแก๊สอุดมคติ กฎของบอยล์ โรเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle) ค.ศ. 1627 - 1691 มีนักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มพยายามศึกษาเรื่อง แก๊ส โรเบิร์ต บอยล์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวอังกฤษ ก็ เป็นคนหนึ่งที่สนใจศึกษาสมบัติของแก๊สด้วย ในการศึกษาเรื่องแก๊สจะมีตัวแปรที่สำคัญอยู่ 4 ตัวแปร คือความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ และปริมาณของแก๊ส เพราะฉะนั้นเมื่อเราต้องการ สังเกตผลของตัวแปรหนึ่งซึ่งเกิดจากการ เปลี่ยนแปลงของอีกตัวแปรหนึ่ง จึงต้องควบคุม ตัวแปรอีกสองตัวให้คงที่ โรเบิร์ต บอยล์ก็เช่น เดียวกัน เมื่อเขาศึกษาเรื่องแก๊ส เขาจะศึกษาว่า เมื่อความดันเปลี่ยนไปปริมาตรของแก๊สจะเปลี่ยน ไปอย่างไร โดยการทำการทดลองที่อุณหภูมิเท่ากัน และ ปริมาณของแก๊สก็กำหนดให้คงที่ เขาทำการ ทดลองอย่างไรกัน

การทดลองของบอยล์ ก่อนที่จะได้ข้อสรุป เขาได้ใช้เครื่องมือที่มีลักษณะดังรูป

เครื่องมือนี้ สร้างโดย โรเบิร์ต ฮุค (Robert Hooke) ผู้ช่วยของเขา เครื่องมือประกอบด้วย 2 ส่วน คือถังอากาศและปั๊ ม ถังอากาศเอาไว้ บรรจุอากาศ ส่วนปั๊ มประกอบไปด้วย ท่อทรง กระบอก ฝาสูบ ที่จับ ซึ่งส่วนนี้จะติดแน่นกับขา สามขาที่ตั้งอยู่ ระหว่างส่วนถังอากาศมีวาล์ว เปิด-ปิดให้อากาศเข้าออกได้ เครื่องมือนี้ บอยล์ใช้หาความสัมพันธ์ระหว่างความดันและ ปริมาตรของอากาศที่อยู่ในท่อทรงกระบอก โดยการเลื่อนฝาสูบขึ้นลง ปริมาตรและความ ดันของอากาศภายในก็จะเปลี่ยนไปด้วย อีกวิธีการหนึ่งที่ใช้หาความสัมพันธ์ระหว่าง ความดันและปริมาตรของแก๊สคือการใช้หลอด แก้วรูปตัวยูกับปรอท

หลอดแก้วรูปตัวยู (U) มีปลายสองด้าน ด้าน หนึ่งเปิด ปลายอีกด้านหนึ่งปิดสนิท กักอากาศ ปริมาณหนึ่งไว้ภายในหลอดโดยการเติมปรอท เข้าไปในหลอดทางด้านปลายเปิดเมื่อปรับ ระดับผิวปรอทในปลายสองด้านเท่ากันดังรูป ก. (เขาปรับระดับปรอทให้เท่ากันได้อย่างไร ลองคิดดูซิ) แสดงว่าความดันที่กระทำต่อผิว ปรอททั้งด้านปลายปิดและผิวปรอทด้านปลาย เปิดเท่ากันและทำการทดลองที่ความดัน บรรยากาศนั่นคือแก๊สมีความดันเท่ากับความ ดันบรรยากาศ (1 atm)

หลังจากนั้น เติมปรอทเข้าไปด้านปลายเปิด ปริมาณหนึ่งทำให้ลำปรอทในหลอดด้านปลาย เปิดสูงกว่าด้านปลายปิด ได้ความแตกต่างของ ลำปรอทเป็น h ดังรูป ข. พบว่า ปริมาตรแก๊สใน หลอดลดลงจากเดิม และเมื่อเพิ่มปริมาณปรอท เข้าไปอีกมีความแตกต่างลำปรอทสูง h1 ปริมาตรแก๊สก็ลดลงไปอีก ดังรูป ค. การ เพิ่มปริมาณปรอทเข้าไปในหลอดก็คือการเพิ่ม ความดันให้กับแก๊ส เพราะความสูงของปรอท ด้านปลายเปิดที่สูง h หรือ h1 ย่อมมีความดัน ส่งผลกระทำต่อแก๊ส ทำให้ปริมาตรแก๊สใน หลอดลดลงเป็นสัดส่วนโดยตรงตามความดัน ภายนอกที่กระทำกับแก๊ส

หน่วยปริมาตรเป็นลูกบาศก์เซนติเมตร(cm3) ความดันเป็นมิลลิเมตรของปรอท(mmHg) ซึ่ง ก็คือความแตกต่างของความสูงลำปรอท ส่วน ความดันอากาศของการทดลองของบอยล์ใน เวลานั้นเท่ากับ 727.5 มิลลิเมตรปรอท

เมื่อนำข้อมูลของบอยล์ที่ได้มาเขียนกราฟ ดัง รูปกราฟด้านล่าง กราฟนี้แสดงความสัมพันธ์ ระหว่างความดัน(P) และปริมาตร(V)ของแก๊ส จะเห็นลักษณะกราฟเป็นเส้นโค้งไฮเปอร์โบลาร์ กราฟที่ได้นี้เรียกว่าเส้นกราฟ ไอโซเทอร์ม ซึ่ง หมายถึงการทำการทดลองที่อุณหภูมิคงที่ จาก กราฟจะพบว่าเมื่อความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะลดลง

จากกราฟนี้เราสามารถหาพื้นที่ใต้กราฟ ณ จุด ใดๆ บนเส้นกราฟ เมื่อลากไปตัดแกนความดัน และแกนของปริมาตร พื้นที่ใต้กราฟจะมีค่าเท่า กันเสมอ เช่น พื้นที่ A และ B ดังรูปด้านล่าง ถ้าแก๊สแสดงสมบัติตามกฏของบอยล์ เราจะได้ว่า พื้นที่ A = พื้นที่ B

จากตารางการทดลองด้านบนเราสามารถเขียน กราฟระหว่างความดันกับปริมาตรได้อีกหลาย ลักษณะ ลักษณะหนึ่งคือ เมื่อให้ปริมาตรเป็น แกน y และแกน x คือ 1/P จะได้กราฟเส้นตรง ตัดจุดกำเนิด ดังรูป

อีกแบบหนึ่งคือ เป็นความสัมพันธ์ระหว่าง ผล คูณของความดันและปริมาตร(PV) และความ ดัน(P) จะได้กราฟมีลักษณะเป็นเส้นตรงความ ชันเท่ากับศูนย์

จากผลการทดลองบอยล์ เขาได้พิมพ์ผลงานที่ มีชื่อว่า New Experiments Physico-Mechanical ,Touching the Spring of the Air, and Its Effectsในปี ค.ศ. 1660 กฏของบอยล์ กล่าวว่า ที่อุณหภูมิคงที่ ปริมาตร ของแก๊สที่มีมวลคงที่จำนวนหนึ่งเปลี่ยนไปเป็น ปฏิภาคผกผันกับความดัน เมื่อ P และ V คือความดันและ ปริมาตรของแก๊สตามลำดับ k = ค่าคงที่

ต่อมานักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านได้ทดลอง ความสัมพันธ์ของความดันแก๊สและปริมาตร ด้วยความแม่นยำมากขึ้นของแก๊สหลายๆ ชนิด พบว่า ผลคูณของความดันกับปริมาตรไม่ได้ เป็นค่าคงที่ตามกฏของบอยล์ที่ความดันน้อยๆ แต่จะขึ้นอยู่กับความดันที่เปลี่ยนไป ที่ความดัน น้อยกว่าหนึ่งบรรยากาศ ดังกราฟข้างล่าง จากกราฟ แกน y คือ ผลคูณของปริมาตรและ ความดันแก๊สในหน่วย L.atm/mol ของแก๊ส ชนิดต่างๆ แกน x คือความดันของแก๊สส่วน เส้นประคือเส้นกราฟของแก๊สอุดมคติ

จากกราฟเป็นกราฟของ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์(CO2) แก๊สออกซิเจน(O2) และแก๊สนีออน (Ne) แก๊สทั้ง 3 ชนิดจำนวน 1 โมล ที่ความดันแก๊ส เข้าใกล้ ศูนย์ ปริมาตรของแก๊สมีค่าเท่ากับ 22.415 ลิตร เมื่อความดันเพิ่มขึ้น ผลคูณของ ความดันและปริมาตรของแก๊ส คาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สออกซิเจนลดลง ส่วนแก๊สนีออนจะเพิ่มขึ้น ที่ความดัน 0.5 บรรยากาศ พบว่าผลคูณของปริมาตรและความ ดันของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ มีค่าน้อยกว่า ของแก๊สออกซิเจน และของแก๊สนีออน ตาม ลำดับหรืออีกนัยหนึ่งก็คือที่ความดันเดียวกัน ปริมาตรของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะน้อย กว่าของแก๊สออกซิเจนและของแก๊สนีออน

เส้นกราฟที่ได้เป็นของแก๊สแต่ละชนิด มีลักษณะ เป็นเส้นตรง เนื่องจากกราฟนี้เป็นความสัมพันธ์ ระหว่าง PV กับ P เราสามารถเขียนสมการเส้น ตรงทั่วไปของกราฟของแก๊สแต่ละชนิดได้ดังนี้ ซึ่งก็คือสมการเส้นตรงที่มีจุดตัดแกน y เท่ากับ a ซึ่งเป็นค่าผลคูณของความดันและปริมาตร ที่ค่าความดันของแก๊สเท่ากับศูนย์ หรือเข้าใกล้ ศูนย์มากที่สุด นั่นหมายความว่า เราปล่อยให้ แก๊สปริมาณหนึ่งนั้นขยายตัวได้เต็มที่ที่สุดเท่า ที่แก๊สจะขยายตัวไปได้ จนถือว่าแก๊สไม่มีความ ดันเลยหรือความดันของแก๊สเท่ากับศูนย์ เพราะแก๊สไม่มีแรงกระทำต่อผนังเลย ณ จุดนี้ ค่าความชัน เท่ากับ B

จากกราฟที่ความดันเข้าใกล้ศูนย์ แก๊สทั้งสาม ชนิดมีค่าแอลฟา เท่ากับ 22.415 ส่วนความชัน ของเส้นกราฟ ของแก๊สแต่ละชนิดจะแตกต่าง กันไปตามชนิดของแก๊ส จากกราฟจะพบว่า ความชันของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊ส ออกซิเจนมีค่าเป็นลบ ส่วนแก๊สนีออนมีค่าเป็น บวก จากกฏของบอยล์ ผลคูณของความดันกับ ปริมาตรของแก๊สอุดมคติเท่ากับค่าคงที่ ค่าคงที่ k ก็คือค่าแอลฟา เราจะได้สมการ ซึ่งเป็นค่าคงที่นั่นเอง ผลคูณความดันและปริมาตร(PV) ในกราฟเป็น ค่าแสดง PV ต่อโมล ดังนั้น ถ้าจำนวนโมลของ แก๊สที่ใช้ศึกษาเปลี่ยนไปสมการก็จะกลายเป็น เมื่อ n คือจำนวนโมลของแก๊ส

จากสมการเราจึงสามารถทำนายได้ว่า ถ้าต้องการให้แก๊สจริงมีสมบัติใกล้เคียงกับ แก๊สในอุดมคติมากๆ ต้อง ทำให้พจน์ บีตาคูณ ความดัน( )น้อยกว่า พจน์แอลฟา( )มากๆ นั่นคือตัดพจน์ ทิ้งได้ หรืออีกกรณีหนึ่งคืออัต รส่วนระหว่างแอลฟากับบีตาต้องน้อยกว่าความ ดันมากๆ

กฏของชาร์ล จ๊าค อเล็กซองดร์ เซซา ชาร์ล (Jacques Alexandre César Charles, ค.ศ.1746 - 1823) เราทราบมาแล้วว่าสสารที่อยู่ในสถานะแก๊สมี ความหนาแน่นน้อย เมื่อพิจารณาระยะห่าง ระหว่างโมเลกุลของแก๊สจะมีระยะทางมากกว่า ของแข็งและของเหลว ตามลำดับ เมื่อได้รับ ความร้อนเพิ่มขึ้น แก๊สจะขยายตัวมากกว่าการ ขยายตัวของของเหลวและของแข็ง ตามลำดับ

สำหรับการทดลองเกี่ยวกับแก๊สของนัก วิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส จ๊าค ชาร์ล สนใจศึกษาสมบัติของแก๊สเช่นเดียวกันโดย การทดลองของชาร์ลได้ศึกษาความสัมพันธ์ ของปริมาตรแก๊สเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป ชาร์ลได้สนใจศึกษาเรื่องแก๊สเนื่องจากในสมัย นั้นมีการใช้อากาศร้อนทำให้บอลลูนลอยบน อากาศกำลังเป็นเรื่องที่นิยมและน่าสนใจอย่าง มากเป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์ต่างสนใจที่จะ ทำให้บอลลูนลอยขึ้นไปได้สูงๆและลอยได้ นานขึ้นจึงมีการพัฒนาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ของบอลลูนของนักวิทยาศาสตร์ต่างๆความ สัมพันธ์ระหว่างการขยายตัวของแก๊สกับ อุณหภูมิจึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจ รวมทั้งชาร์ลก็เช่นเดียวกัน ในการทดลองของ เขา เขาได้ใช้เครื่องมือเป็นหลอดแก้วรูปตัว เจ(J FORM) คล้ายๆ กับของ โรเบิร์ต บอยล์ ภายในหลอดบรรจุแก๊สปริมาณหนึ่งเอาไว้ เมื่อเขาให้ความร้อนแก่แก๊สที่อยู่ในหลอด เขา พบว่าแก๊สได้ขยายตัวมีปริมาตรเพิ่มขึ้น

โดยเขาพบว่า ถ้าตอนเริ่มต้นทดลอง อุณหภูมิ ของแก๊ส อยู่ที่ 0 องศาเซลเซียส และปริมาตร แก๊สเริ่มต้นที่ค่าหนึ่ง ถ้าให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นไปเป็น 1 องศาเซลเซียส ปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้นจากเดิมประมาณ เท่า ถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นไปเป็น 2 องศาเซลเซียส ปริมาตรแก๊สจะเพิ่มจากเดิมประมาณ เท่า และ ถ้าอุณหภูมิเพิ่มไปเป็น 10 องศาเซลเซียส ปริมาตรแก๊สเพิ่มจากเดิมอีกประมาณ

สัดส่วนนี้จะเป็นไปตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนั้น ปริมาตรจะแปรผันตรงตามอุณหภูมิ เรากำหนดให้ค่าสัดส่วน เป็นค่าคงที่ค่าหนึ่ง ใช้สัญลักษณ์เป็น แอลฟา โดยค่า ซึ่ง เศษส่วนนี้ในความรู้สึกของเราก็ถือว่าน้อยมาก แต่ถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนมากๆ ค่าเศษส่วนนี้ก็จะมี ค่ามากขึ้น เช่น จาก 0 องศาเซลเซียส เพิ่ม อุณหภูมิให้แก๊สขึ้นไปเป็น 100 องศา ปริมาตร แก๊สก็จะเปลี่ยนไปจากเดิมประมาณ ของ หน่วยปริมาตร หรืออีกกรณีหนึ่ง ถ้าแก๊สมี ปริมาณเยอะมาก ปริมาตรเริ่มต้นของแก๊สมี ขนาดใหญ่ ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่เรา สังเกตได้ชัดเจนขึ้น กำหนดให้สัดส่วนเป็นค่า แอลฟา และเมื่อนำข้อมูลการทดลองของชาร์ล ไปเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร และอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสจะได้ กราฟดังรูป เราจะได้กราฟเส้นตรง จุดตัดแกน Y คือปริมาตร ของแก๊สที่ อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ให้เท่ากับ V0 มิลลิลิตรและเมื่อลากเส้นประไปจนปริมาตร ของแก๊สเท่ากับ 0 มิลลิลิตรพบว่าเส้นกราฟตัด แกนอุณหภูมิที่ประมาณ -273 องศาเซลเซียส

จากกราฟเส้นตรงที่ได้จากการทดลองเขียน เป็นความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่าง ปริมาตรและอุณหภูมิได้ดังนี้ เมื่อV=ปริมาตรของแก๊สที่สังเกต ณ อุณหภูมิ ใดๆ V0 = ปริมาตรแก๊สที่ 0 องศาเซลเซียส T = อุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส เมื่อแทนค่า .............1 ในสมการ 1 จะได้ และกำหนดให้ .............2 สมการ 2 จะกลายเป็น ..............3 หรือ .................4

เมื่อ K เป็นค่าคงที่ และ T ก็จะเป็นอุณหภูมิทำให้ปริมาตรของแก๊ส แปรผันตรงแบบเป็นเส้นตรง จากสมการ (3) จะพบว่าถ้า แก๊สมีปริมาตร(V) เท่ากับ 0 พจน์ T จะต้องเป็น 0 ด้วย (เพราะ K เป็นค่าคงที่มากกว่า 1 ) นั่นแสดงว่าอุณหภูมิใน หน่วยองศาเซลเซียสที่ทำให้แก๊สมีปริมาตร เป็น 0 จริงๆ จะเท่ากับ T = 273 + T เมื่อ T = 0 ; 0 = 273+T นั่นหมายความว่า T = -273 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิ -273 องศาเซลเซียสแก๊สจะมี ปริมาตรเป็น 0 ซึ่งอุณหภูมินี้เป็นอุณหภูมิ 0 ที่แท้จริง ดังนั้นจึงกำหนดให้ที่อุณหภูมินี้เป็น หน่วยอุณหภูมิที่เริ่มจาก 0 จริงๆ และหน่วย อุณหภูมิใหม่ นี้คือ เคลวิน (K)นั่นเอง

กฏของอาโวกาโดร อาเมเดโอ อาโวกาโดร (LORENZO ROMANO AMEDEO CARLO AVOGADRO ค.ศ.1776 - 1856) นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีชื่อ อาเมเดโอ อาโว กาโดร ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร กับปริมาณของแก๊สโดยเขาได้เสนอสมมติฐาน ไว้ในปี ค.ศ. 1811 ว่า \"ที่อุณหภูมิและความดัน เดียวกัน แก๊สต่างชนิดกันที่มีปริมาตรเท่ากัน จะมีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน\" ซึ่งหมายความว่า แก๊สทุกชนิดจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อ จำนวนโมเลกุลของแก๊สเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เช่นกัน แต่ข้อสมมติฐานของเขาไม่ได้รับการยอมรับ จากวงการวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นเป็นเวลา เกือบ 50 ปี และต่อมาเมื่อสตานิซาโล คานนิซา โร(STANISALO CANNIZARO) ได้ทดลอง พิสูจน์และได้นำเสนอในที่ประชุมวิทยาศาสตร์ เมื่อปี ค.ศ. 1860 สมมติฐานของอาโวกาโดรจึง ได้รับการยอมรับในที่สุด และเพื่อเป็นเกียรติ แก่อาโวการโดร ตัวเลข 1 โมลซึ่งเท่ากับ 6.02 X 1023 จึงเรียกว่า เลขอาโวกาโดร (AVOGADRO NUMBER)

จากข้อสมมติฐานของอาโวกาโดรเมื่อได้ ทดลองซ้ำต่อมาหลายๆ ครั้งก็ยืนยันความ สัมพันธ์ที่เป็นไปตามสมมติฐานอาโวกาโดร จึง ตั้งเป็นกฏของอาโวกาโดรขึ้นมา ซึ่งกล่าวว่า \"ที่ ความดันและอุณหภูมิของแก๊สคงที่ ปริมาตร ของแก๊สจะแปรผันตรงกับจำนวนโมเลกุลหรือ จำนวนโมลของแก๊สนั้น\" ดังแผนภาพด้านล่าง เมื่อ N คือจำนวนโมล และ V คือปริมาตรของแก๊ส

จากแผนภาพ เมื่อ N มีจำนวนน้อย V ก็จะน้อย ด้วย แต่เมื่อ N มีจำนวนมากขึ้น V ก็จะมากขึ้น ตามไปด้วย จากสมมติฐานของอาโวกาโดร เขียนเป็นความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่า ปริมาตรของแก๊ส แปรผันตรงกับจำนวนโมล ของแก๊ส .............................1 เมื่อ K เป็นค่าคงที่ของการแปรผัน อัตราส่วนของปริมาตรกับจำนวนโมลของแก๊ส จะเป็นค่าคงที่ K ที่ สภาวะ STP แก๊สทุกชนิด 1 โมล มีปริมาตร เท่ากับ 22.4 L

กฎของแก๊สอุดมคติ จากการทดลองและข้อสรุปของนักวิทยาศาสตร์ หลายๆ คนที่ศึกษาเรื่องแก๊สเราจะเห็นว่า สมบัติของแก๊สมีความสัมพันธ์กันด้วยตัวแปร คล้ายๆ กัน คือ ทุกคนต่างก็ดูที่ปริมาตรของ แก๊สที่เปลี่ยนไป ด้วยการกำหนดตัวแปรต้น แตกต่างกันออกไป บอยล์ เมื่อเปลี่ยนความดันของแก๊ส ปริมาตร จะเป็นอย่างไร ชาร์ล เมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิของแก๊ส ปริมาตรจะ เป็นอย่างไร อาโวกาโดร เมื่อเปลี่ยนจำนวนโมลหรือจำนวน โมเลกุลของแก๊ส ปริมาตรจะเป็นอย่างไร และทุกคนก็ได้ข้อสรุปดังที่ได้นำเสนอกฏของ ทุกคนมาแล้ว ถ้าเรารวบรวมกฎที่เกี่ยวกับแก๊ส ที่กล่าวมาแล้วทั้งหมด เราจะได้ความสัมพันธ์ ดังนี้

จาก กฏของบอยล์ กฎของชาร์ล กฏของอาโวกาโดร เราสามารถรวมกฎทั้งสามนี้เข้าเป็นสมการรวม เพียงสมการเดียวได้ดังนี้

เมื่อ P = ความดัน V = ปริมาตร N = จำนวนโมล T = อุณหภูมิ(เคลวิน,K) สมการนี้เรียกว่า สมการแก๊สในอุดมคติ R = ค่าคงที่ของแก๊ส (GAS CONSTANT) จากตัวแปรทั้ง 4 ตัว คือ ความดัน(P), ปริมาตร(V), จำนวนโมล(N) และอุณหภูมิ(T) เราสามารถหาค่า R ได้จากการแทนค่าตัวแปร ทั้งสี่ในสมการแก๊สอุดมคติ แก๊สอุดมคติ 1 โมล ที่สภาวะมาตรฐาน ความ ดันเท่ากับ 1 บรรยากาศ อุณหภูมิ 273 K มี ปริมาตร 22.4 ลิตร เราจะสามารถคำนวณหา ค่าคงที่ของแก๊สได้ดังนี้ จาก