กฎหมายแก๊สในอุดมคติคืออะไร?

กฎของแก๊สในอุดมคติคือสมการทางคณิตศาสตร์ที่คุณสามารถใช้แก้ปัญหาเกี่ยวกับอุณหภูมิ ปริมาตร และความดันของแก๊สได้ แม้ว่าสมการจะเป็นค่าประมาณ แต่ก็เป็นสมการที่ดีมาก และมีประโยชน์สำหรับเงื่อนไขที่หลากหลาย ใช้รูปแบบที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดสองรูปแบบซึ่งกำหนดปริมาณของก๊าซในรูปแบบต่างๆ

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

กฎของแก๊สในอุดมคติคือ PV = nRT โดยที่ P = ความดัน V = ปริมาตร n = จำนวนโมลของแก๊ส T คืออุณหภูมิ และ R คือค่าคงที่ตามสัดส่วน โดยปกติ 8.314 สมการนี้ให้คุณแก้ปัญหาในทางปฏิบัติเกี่ยวกับก๊าซได้

คุณจัดการกับก๊าซในชีวิตประจำวัน เช่น อากาศที่คุณหายใจ ฮีเลียมในบอลลูนหรือก๊าซมีเทน "ก๊าซธรรมชาติ" ที่คุณใช้ปรุงอาหาร สารเหล่านี้มีคุณสมบัติเหมือนกันมาก รวมทั้งตอบสนองต่อความดันและความร้อน อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิต่ำมาก ก๊าซจริงส่วนใหญ่จะเปลี่ยนเป็นของเหลว ก๊าซในอุดมคติโดยการเปรียบเทียบเป็นแนวคิดเชิงนามธรรมที่มีประโยชน์มากกว่าสารจริง ตัวอย่างเช่น ก๊าซในอุดมคติจะไม่กลายเป็นของเหลว และไม่มีการจำกัดความสามารถในการอัดของแก๊ส อย่างไรก็ตาม ก๊าซจริงส่วนใหญ่อยู่ใกล้กับก๊าซในอุดมคติมากพอที่คุณสามารถใช้กฎก๊าซในอุดมคติเพื่อแก้ปัญหาในทางปฏิบัติได้หลายอย่าง

สมการกฎแก๊สในอุดมคติมีความดันและปริมาตรอยู่ด้านหนึ่งของเครื่องหมายเท่ากับและปริมาณและอุณหภูมิอีกด้านหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าผลคูณของความดันและปริมาตรยังคงเป็นสัดส่วนกับผลคูณของปริมาณและอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น หากคุณเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซในปริมาณคงที่ในปริมาตรคงที่ ความดันก็ต้องเพิ่มขึ้นด้วย หรือถ้าคุณรักษาความดันให้คงที่ แก๊สจะต้องขยายตัวเป็นปริมาตรมากขึ้น

ในการใช้กฎของแก๊สในอุดมคติอย่างถูกต้อง คุณต้องใช้หน่วยอุณหภูมิสัมบูรณ์ องศาเซลเซียสและฟาเรนไฮต์ใช้ไม่ได้เพราะสามารถแปลงเป็นตัวเลขติดลบได้ อุณหภูมิติดลบในกฎของแก๊สในอุดมคติจะให้แรงดันหรือปริมาตรเป็นลบ ซึ่งไม่มีอยู่จริง ให้ใช้มาตราส่วนเคลวินซึ่งเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์แทน หากคุณทำงานกับหน่วยภาษาอังกฤษและต้องการมาตราส่วนที่เกี่ยวข้องกับฟาเรนไฮต์ ให้ใช้มาตราส่วน Rankine ซึ่งเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์ด้วยเช่นกัน

รูปแบบทั่วไปข้อแรกของสมการก๊าซในอุดมคติคือ PV = nRT โดยที่ P คือความดัน V คือปริมาตร n คือจำนวนโมลของแก๊ส R คือค่าคงที่ตามสัดส่วน โดยทั่วไปแล้วคือ 8.314 และ T คืออุณหภูมิ สำหรับระบบเมตริก ใช้ปาสกาลสำหรับแรงดัน ลูกบาศก์เมตรสำหรับปริมาตร และเคลวินสำหรับอุณหภูมิ ยกตัวอย่าง ก๊าซฮีเลียม 1 โมลที่ 300 เคลวิน (อุณหภูมิห้อง) อยู่ภายใต้ความดัน 101 กิโลปาสกาล (ความดันระดับน้ำทะเล) ใช้ปริมาณเท่าไหร่? ใช้ PV = nRT แล้วหารทั้งสองข้างด้วย P โดยปล่อยให้ V อยู่ทางด้านซ้ายด้วยตัวเอง สมการจะกลายเป็น V = nRT ÷ P หนึ่งโมล (n) คูณ 8.314 (R) คูณ 300 เคลวิน (T) หารด้วย 101,000 ปาสกาล (P) ให้ปริมาตร 0.0247 ลูกบาศก์เมตร หรือ 24.7 ลิตร

ในชั้นเรียนวิทยาศาสตร์ รูปแบบสมการของแก๊สในอุดมคติทั่วไปอีกรูปแบบหนึ่งที่คุณเห็นคือ PV = NkT “N” ขนาดใหญ่คือจำนวนของอนุภาค (โมเลกุลหรืออะตอม) และ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann ซึ่งเป็นตัวเลขที่ช่วยให้คุณใช้จำนวนอนุภาคแทนโมลได้ โปรดทราบว่าสำหรับฮีเลียมและก๊าซมีตระกูลอื่นๆ คุณใช้อะตอม สำหรับก๊าซอื่น ๆ ทั้งหมด ให้ใช้โมเลกุล ใช้สมการนี้ในลักษณะเดียวกับสมการก่อนหน้ามาก ตัวอย่างเช่น ถัง 1 ลิตรบรรจุ 10²³ โมเลกุลของไนโตรเจน หากคุณลดอุณหภูมิลงเหลือ 200 เคลวินที่หนาวเหน็บ ความดันของแก๊สในถังเป็นเท่าไหร่? ใช้ PV = NkT แล้วหารทั้งสองข้างด้วย V ปล่อยให้ P อยู่คนเดียว สมการจะกลายเป็น P = NkT ÷ V. คูณ 10²³ โมเลกุล (N) โดยค่าคงที่ของ Boltzmann (1.38 x 10^-23) คูณด้วย 200 เคลวิน (T) แล้วหารด้วย 0.001 ลูกบาศก์เมตร (1 ลิตร) เพื่อให้ได้แรงดัน: 276 กิโลปาสกาล