บทความเกี่ยวกับกฎของบอยล์ กฎของชาร์ลส์ และกฎของเกย์-ลูแซค
กฎของบอยล์
โรเบิร์ต บอยล์ (ค.ศ. 1627-1691) ได้ทำการทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความดันและปริมาตรของแก๊ส การทดลองนี้ทำโดยการใส่แก๊สปริมาณหนึ่งลงในภาชนะปิด จนกระทั่งได้วิธีการที่ดีพอสมควร เขาพบว่าถ้าอุณหภูมิของแก๊สคงที่ เมื่อความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะลดลง ในทำนองเดียวกัน เมื่อความดันของแก๊สลดลง ปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้น ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊ส ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎของบอยล์ ในทางคณิตศาสตร์:
กฎของบอยล์สามารถเขียนได้อีกแบบหนึ่งว่า:
PV = ค่าคงที่ → สมการที่ 1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → สมการ 2
ความหมายของสมการที่ 1 คือ ที่อุณหภูมิคงที่ (T) ถ้าความดัน (P) ของแก๊สเปลี่ยนแปลง ปริมาตร (V) ของแก๊สก็จะเปลี่ยนแปลงด้วย
ดังนั้นผลลัพธ์ของการคูณระหว่างความดันและปริมาตรจึงคงที่เสมอ หากความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะลดลง หรือในทางกลับกัน หากความดันของแก๊สลดลง ปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นการคูณระหว่างความดันและปริมาตรจึงคงที่เสมอ
กราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและความดันมีลักษณะดังภาพด้านล่าง จากผลการทดลอง โรเบิร์ต บอยล์ พบว่าปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนแปลงอย่างไม่สม่ำเสมอ ทำให้เส้นในกราฟมีลักษณะโค้ง ความดันที่แสดงในกราฟคือความดันสัมบูรณ์
กฎของชาร์ลส์
หนึ่งร้อยปีหลังจากที่โรเบิร์ต บอยล์ ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและความดัน นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ ฌาคส์ ชาร์ลส์ (ค.ศ. 1746-1823) ได้ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและปริมาตรของแก๊ส จากผลการทดลอง เขาพบว่า เมื่อความดันของแก๊สคงที่เสมอ เมื่ออุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิของแก๊สลดลง ปริมาตรของแก๊สก็จะลดลง
การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊สเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ทำให้เส้นบนกราฟนี้ดูเป็นเส้นตรง หากลากเส้นบนกราฟต่อไปจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำลง เส้นนั้นจะตัดแกนที่ประมาณ -273 องศาเซลเซียส
จากผลการทดลองหลายครั้งที่ได้ดำเนินการ พบว่าแม้ขนาดของการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของก๊าซแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน แต่
เมื่อลากเส้นบนแผนภูมิ VT ไปยังอุณหภูมิที่ต่ำลง เส้นจะตัดแกนที่ประมาณ -273 องศาเซลเซียสเสมอ เราสามารถกล่าวได้ว่า ถ้าก๊าซเย็นลงถึง -273 องศาเซลเซียส ปริมาตรของก๊าซจะเท่ากับ 0 แต่ถ้าก๊าซเย็นลงอีกจนอุณหภูมิต่ำกว่า -273 องศาเซลเซียส ปริมาตรของก๊าซจะเป็นค่าลบ ซึ่งเป็นไปไม่ได้
ดังนั้น -273 oC คืออุณหภูมิต่ำสุดที่สามารถทำได้ เนื่องจากเส้นกราฟตัดแกนที่ประมาณ -273 องศาเซลเซียส oตามข้อตกลงระบุว่า อุณหภูมิต่ำสุดที่สามารถทำได้คือ -273.15 องศาเซลเซียส oซี. -273.15 oC เรียกว่าอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ และใช้เป็นหน่วยอ้างอิงในมาตราส่วนสัมบูรณ์ หรือที่รู้จักกันในชื่อมาตราส่วนเคลวิน เคลวินเป็นชื่อของลอร์ดเคลวิน (ค.ศ. 1824-1907) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ในมาตราส่วนนี้ อุณหภูมิจะแสดงเป็นเคลวิน (K) ไม่ใช่เคลวิน (oK) องศา ระยะห่างระหว่างองศาเท่ากับในมาตราส่วนเซนติเกรด 0 K = -273.15 oC และ 273.15 K = 0 oC.
อุณหภูมิในหน่วยเซลเซียสสามารถแปลงเป็นหน่วยเคลวินได้โดยการบวก 273.15 และอุณหภูมิในหน่วยเคลวินสามารถแปลงเป็นหน่วยเซลเซียสได้โดยการหักลบ 273.15 ในทางคณิตศาสตร์:
T (K) = T ( o C) + 273.15
T ( o C) = T (K) – 273.15
T = อุณหภูมิ
เค = เคลวิน
C = เซลเซียส
ถ้าแสดงอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน แผนภูมิข้างต้นจะมีลักษณะเหมือนภาพด้านล่าง
จากกราฟนี้ สรุปได้ว่า ที่ความดันคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สเสมอ ถ้าอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สก็จะเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สลดลง ปริมาตรของแก๊สก็จะลดลง ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า กฎของชาร์ลส์ ในทางคณิตศาสตร์:
ปริมาตร α อุณหภูมิ → ความดันคงที่
V α T → P ค่าคงที่
ความหมายของสมการที่ 1 คือ ที่ความดันคงที่ (P) ถ้าอุณหภูมิสัมบูรณ์ (T) เปลี่ยนแปลง ปริมาตร (V) ของแก๊สก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างอุณหภูมิสัมบูรณ์และปริมาตรจึงคงที่เสมอ ถ้าอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรของแก๊สก็จะเพิ่มขึ้น หรือในทางกลับกัน ถ้าอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สลดลง ปริมาตรของแก๊สก็จะเพิ่มขึ้น
ปริมาตรของแก๊สก็ลดลงด้วย ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างอุณหภูมิและปริมาตรจึงคงที่เสมอ อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สคืออุณหภูมิของแก๊ส ซึ่งระบุไว้ในมาตราเคลวิน หากอุณหภูมิยังอยู่ในมาตราเซลเซียส ให้เปลี่ยนเป็นมาตราเคลวินก่อน
กฎของเกย์-ลูแซค
โจเซฟ เกย์-ลูแซค (ค.ศ. 1778-1850) ได้ทำการทดลองและพบว่า ถ้าปริมาตรของแก๊สคงที่ เมื่อความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สจะเพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกัน เมื่อความดันของแก๊สลดลง อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สจะลดลง ที่ปริมาตรคงที่ ความดันของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊ส ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า กฎของเกย์-ลูแซค ในทางคณิตศาสตร์:
ความดัน α อุณหภูมิ → ปริมาตรคงที่
P α T → V มีค่าคงที่
ความหมายของสมการที่ 1 คือ ที่ปริมาตรคงที่ (V) ถ้าความดัน (P) ของแก๊สเปลี่ยนแปลง อุณหภูมิสัมบูรณ์ (T) ของแก๊สก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย โดยที่อัตราส่วนระหว่างความดันและอุณหภูมิสัมบูรณ์จะคงที่ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ถ้าความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สก็จะเพิ่มขึ้น หรือในทางกลับกัน ถ้าความดันของแก๊สลดลง
อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สก็ลดลงด้วย ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างความดันและอุณหภูมิจึงคงที่เสมอ
อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊ส คือ อุณหภูมิของแก๊ส ซึ่งระบุไว้ในมาตราเคลวิน หากอุณหภูมิยังอยู่ในมาตราเซลเซียส ให้แปลงเป็นมาตราเคลวินก่อน
โปรดทราบว่า กฎของบอยล์ กฎของชาร์ลส์ และกฎของเกย์-ลูแซค ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำเมื่อความดันและความหนาแน่นของแก๊สไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก นอกจากนี้ กฎทั้งสามข้อนี้ยังใช้ได้เฉพาะกับแก๊สที่มีอุณหภูมิไม่ใกล้จุดเดือดเท่านั้น
จากข้อเท็จจริงนี้ จึงสรุปได้ว่า กฎของบอยล์ กฎของชาร์ลส์ และกฎของเกย์-ลูแซค ไม่สามารถนำไปใช้ได้กับทุกสภาวะของก๊าซ เนื่องจากไม่สามารถอ้างอิงถึงสภาวะของก๊าซจริงได้ทั้งหมด จึงจำเป็นต้องใช้แนวคิดของก๊าซในอุดมคติ ก๊าซในอุดมคตินี้ไม่มีอยู่จริงในชีวิตประจำวัน ก๊าซในอุดมคติเป็นเพียงแบบจำลองในอุดมคติ คล้ายกับแนวคิดของของแข็งและของเหลวในอุดมคติ ดังนั้น เราจึงสมมติว่ากฎของก๊าซทั้งสามข้างต้นใช้ได้กับทุกสภาวะของก๊าซในอุดมคติ
ในการแก้โจทย์ปัญหาเกี่ยวกับกฎของแก๊ส อุณหภูมิจะต้องระบุในหน่วยเคลวิน ถ้าความดันของแก๊สยังอยู่ในรูปของความดันที่วัดได้ ให้แปลงเป็นความดันสัมบูรณ์ก่อน ความดันสัมบูรณ์ = ความดันบรรยากาศ + ความดันที่วัดได้
