หลายคนอาจจะสงสัยมาโดยตลอดว่า ทำไมแก๊สถึงมีปริมาตร ทำไมแก๊สถึงอยู่ในภาชนะได้ทั่วทั้งภาชนะ ทำไมอนุภาคแก๊สไม่ตกลงไปรวมกันอยู่ที่ก้นของภาชนะ ในเมื่อแก๊สก็มีมวลเช่นเดียวกับของแข็ง ของเหลว ก็น่าจะถูกแรงโน้มถ่วงของโลกดึงลงเหมือนกัน

การตอบคำถามเหล่านี้ จึงทำให้มีการทดลองและศึกษาและรวบรวมข้อมูลมาเขียนเป็นเรื่องราวเพื่อใช้อธิบายพฤติกรรมเหล่านี้ ในศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์หลายคน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ลุดวิก เอดูอาล โบลต์ซมานน์ (Ludwig Eduard Boltzmann) และ เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) พบว่าสมบัติทางกายภาพของแก๊สนั้นอธิบายได้จากการเคลื่อนที่ของแต่ละโมเลกุลของแก๊สเหล่านั้น

ในที่สุด ผลงานของแมกซ์เวลล์และโบลต์ซมานน์ และนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคน ก็ได้กลายเป็นทฤษฎีสำคัญที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของแก๊ส เรียกว่า ทฤษฎีจลน์โมเลกุลของแก๊ส หรือเรียกว่า ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

ทฤษฎีจลน์ของแก๊สเป็นทฤษฎีเพื่อใช้อธิบายพฤติกรรมของแก๊สโดยการใช้แบบจำลองหรือทฤษฎีในระดับจุลภาค (microscopic model) คือพิจารณาคุณสมบัติของโมเลกุลของแก๊สเพียงหนึ่งหรือสองโมเลกุลเพื่อเป็นตัวแทนของโมเลกุลล้านๆโมเลกุลในระดับมหภาค (macroscopic model) (สมบัติมหภาคคือสมบัติที่แก๊สแสดงให้เราเห็นว่าแก๊สมีปริมาตร มีความดัน มีความหนืด มีการไหล การนำพาความร้อน เป็นต้น ซึ่งเป็นสมบัติที่โมเลกุลของแก๊สเป็นล้านๆ โมเลกุลรวมกันเหล่านั้นแสดงออกมา) เมื่อเราพิจารณาโมเลกุลแก๊สจำนวนน้อยๆ เป็นตัวแทนของกลุ่มประชากรทั้งหมด จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องมีศาสตร์ทางคณิตศาสตร์และสถิติเข้ามาเกี่ยวข้อง เช่น จำเป็นต้องมีค่าเฉลี่ย มีความน่าจะเป็น เป็นต้น เพราะว่าข้อมูลที่ได้มานั้นเป็นข้อมูลของกลุ่มตัวอย่างแก๊ส ไม่ใช่ประชากรทั้งหมด

ทฤษฎีจลน์โมเลกุลของแก๊ส มีพื้นฐานสำคัญอยู่ที่หลักที่ว่าอนุภาคของแก๊สมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา เมื่อแก๊สมีการเคลื่อนที่ก็ย่อมมีพลังงานอยู่ในโมเลกุล การเคลื่อนที่ของโมเลกุลแก๊สดังกล่าวนี้เป็นพลังงานรูปหนึ่งซึ่งเราอาจให้นิยามว่าเป็นความสามารถในการทำงานหรือในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง พลังงานมีหลายชนิด พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ เรียกว่า พลังงานจลน์ (kinetic energy)หรืออาจกล่าวได้ว่า พลังงานจลน์ คือพลังงานของการเคลื่อนที่ ดังนั้น เมื่อแก๊สมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาก็ ย่อมมีพลังงานจลน์อยู่ในตัวด้วย

ทฤษฎีจลน์โมเลกุลของแก๊สมีเนื้อหาสรุปบนสมมติฐานต่างๆ ได้ดังนี้

1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กมาก อนุภาคคือโมเลกุล แต่ละโมเลกุลของแก๊สอยู่ไกลกันมากเมื่อเทียบกับขนาดของโมเลกุล จนถือว่าโมเลกุลเป็นจุดทรงกลมแข็งเล็กๆ

2. โมเลกุลของแก๊สมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา การเคลื่อนที่ของโมเลกุลเป็นแบบสุ่ม และเกิดการชนกันระหว่างโมเลกุลแก๊สบ่อยครั้งมาก

3.ไม่มีแรงกระทำระหว่างโมเลกุล ยกเว้นเมื่อเกิดการกระทบกัน และเมื่อโมเลกุลเข้าชนกัน จะชนแบบยืดหยุ่น(elastic collision)

การชนแบบยืดหยุ่นคือ ผลรวมของพลังงานจลน์ก่อนการชนจะมีค่าเท่ากับผลรวมของพลังงานจลน์หลังการชน นั่นคือมีการอนุรักษ์พลังงานจลน์ไว้ ตัวอย่างการชนแบบยืดหยุ่นแสดงในรูปด้านล่าง

แม้จะมีการถ่ายเทพลังงานให้กันแต่สุดท้ายเมื่อคิดพลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งสองแล้วพลังงานจลน์รวมก่อนการชนและหลังการชนจะไม่เปลี่ยนแปลงหมายความว่า ถ้าโมเลกุลหนึ่งให้พลังงาน อีกโมเลกุลหนึ่งก็ต้องรับพลังงานด้วยปริมาณที่ให้และรับเท่าๆ กัน หรือถ้ามีหลายๆ โมเลกุล เมื่อโมเลกุลเกิดการชนกัน พลังงานจะถ่ายเทไปมาระหว่างโมเลกุล ผลรวมของพลังงานจลน์ทั้งหมดจะเท่าเดิมตลอดเมื่อเวลาผ่านไป

4.พลังงานอย่างเดียวที่แก๊สมีคือพลังงานของการเคลื่อนที่ไปมาของแก๊สนั่นคือ พลังงานจลน์

ในความเป็นจริงแล้วแบบจำลองที่กล่าวมาทั้ง 4 ข้อดังกล่าวไม่ถูกต้องนัก เพราะ

โมเลกุลไม่เป็นรูปร่างทรงกลมแข็ง โมเลกุลยังมีพลังงานนอกเหนือจากพลังงานจลน์อีก นั่นคือโมเลกุลแก๊สมีพลังงานภายในอยู่ด้วย ซึ่งต้องใช้วิชากลศาสตร์ควอนตัม(quantum mechanics) ในการคำนวณหาค่าพลังงานเหล่านั้น โมเลกุลยังมีแรงดึงดูดและแรงผลักกันอยู่ การเข้าชนกันของโมเลกุลจึงไม่ได้เป็นแค่การสัมผัสเฉยๆ แต่หมายถึงการเข้ามาชนกันด้วยระยะที่แตกต่างกันออกไปทำให้อาจเกิดแรงดึงดูดหรือแรงผลักมากขึ้นหรือลดลง นอกจากนั้นการชนกันของโมเลกุลแก๊สยังไม่ใช่การชนแบบยืดหยุ่นด้วย แล้วคำอธิบายที่ถูกต้องกว่าอยู่ที่ไหนหล่ะ.............

ตามไปดูที่พฤติกรรมของแก๊สจริง ต่อไปครับ

วันเสาร์, 11 เมษายน 2558 20:52 by chem03
วันพฤหัสบดี, 09 เมษายน 2558 20:27 by chem03
วันพฤหัสบดี, 09 เมษายน 2558 20:23 by chem03
วันอังคาร, 07 เมษายน 2558 08:39 by chem03

link วิทยาศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านวิทยาศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด

link คณิตศาสตร์

รวม link ที่น่าสนใจทั้งในและต่างประเทศ เพื่อค้นคว้าหาข้อมูลที่ต้องการทางด้านคณิตศาสตร์

ดูลิงค์ทั้งหมด
UNESCO Bangkok

ICT in Education newsletter

SEAMEO Congress

Programme with Presentations

Black Ribbon