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

ตัวอย่าง สมมติฐานในข้อนี้แสดงในรูปด้านล่างซึ่งเป็นรูปที่แสดง ภาชนะสี่เหลี่ยม บรรจุแก๊ส 2 ชนิด คือแก๊สชนิดสีน้ำเงินหลายโมเลกุลกับแก๊สชนิดสีแดงหนึ่งโมเลกุล แก๊สทุกโมเลกุลมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา

พิจารณาการเคลื่อนที่ของแก๊สสีแดง

        ตัวอย่างทิศทางการเดินทางของแก๊สสีแดง จากจุด A ไป B เป็นดังรูปข้างล่าง ระหว่างการเดินทางโมเลกุลสีแดงชนกับโมเลกุลแก๊สสีน้ำเงินมากมาย การชนของแก๊สสีแดงทำให้ทิศทางของโมเลกุลสีแดงเปลี่ยนแปลงไปมาตลอดเวลา การเคลื่อนที่ของแก๊สสีแดงในลักษณะนี้ เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบสะเปะสะปะ (random walk)

        พิจารณาลูกบอลที่กระทบพื้น ก็เป็นการชนอย่างหนึ่ง ซึ่งจะมีการชนใน สองลักษณะคือ การชนแบบยืดหยุ่น และการชนแบบไม่ยืดหยุ่น

        การชนแบบยืดหยุ่นและไม่ยืดหยุ่นเป็นอย่างไร ตัวอย่างการชนแบบยืดหยุ่น ดังรูป

        เมื่อลูกบอลกระทบพื้นแล้วกระดอนสูงขึ้นมาเท่าเดิมตลอดแม้เวลาจะผ่านไปนานเท่าไหร่ก็ตามนี่เป็นลักษณะการชนที่มีการอนุรักษ์พลังงานคือพิจารณาพลังงานจลน์ของลูกบอลก่อนที่ลูกบอลจะกระทบพื้นจะเท่ากับพลังงานจลน์ที่ลูกบอลกระดอนขึ้นมา ณ ตำแหน่งความสูงนั้น

        แต่ถ้าเป็นการชนแบบไม่ยืดหยุ่น ลูกบอลก็จะกระดอนได้ไม่กี่ครั้งก็จะหยุดไปดังรูป เนื่องจากลูกบอลถ่ายเทพลังงานให้กับพื้น ทำให้พลังงานจลน์ของลูกบอลลดลงเรื่อยๆ และหยุดไปในที่สุด

        3.ไม่มีแรงกระทำระหว่างโมเลกุล ยกเว้นเมื่อเกิดการกระทบกัน และเมื่อโมเลกุลเข้าชนกัน จะชนแบบยืดหยุ่น(elastic collision)

        การชนแบบยืดหยุ่นคือ ผลรวมของพลังงานจลน์ก่อนการชนจะมีค่าเท่ากับผลรวมของพลังงานจลน์หลังการชน นั่นคือมีการอนุรักษ์พลังงานจลน์ไว้ ตัวอย่างการชนแบบยืดหยุ่นแสดงในรูปด้านล่าง

        แม้จะมีการถ่ายเทพลังงานให้กันแต่สุดท้ายเมื่อคิดพลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งสองแล้วพลังงานจลน์รวมก่อนการชนและหลังการชนจะไม่เปลี่ยนแปลงหมายความว่า ถ้าโมเลกุลหนึ่งให้พลังงาน อีกโมเลกุลหนึ่งก็ต้องรับพลังงานด้วยปริมาณที่ให้และรับเท่าๆ กัน หรือถ้ามีหลายๆ โมเลกุล เมื่อโมเลกุลเกิดการชนกัน พลังงานจะถ่ายเทไปมาระหว่างโมเลกุล ผลรวมของพลังงานจลน์ทั้งหมดจะเท่าเดิมตลอดเมื่อเวลาผ่านไป

        ตัวอย่างของโมเลกุลแก๊สสองโมเลกุลที่มีการชนกันดังรูปด้านล่าง

       บางครั้งโมเลกุลของแก๊สอาจชนกันด้วยทำมุมที่แตกต่างกัน ดังรูป

       แม้ว่าโมเลกุลจะชนผนังก็ไม่สูญเสียพลังงานให้แก่ผนังดังรูป ความเร็วยังคงเท่าเดิมก่อนชนและหลังชนผนัง

        4.พลังงานอย่างเดียวที่แก๊สมีคือพลังงานของการเคลื่อนที่ไปมาของแก๊สนั่นคือ พลังงานจลน์

ในความเป็นจริงแล้วแบบจำลองที่กล่าวมาทั้ง 4 ข้อดังกล่าวไม่ถูกต้องนัก เพราะ

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

        ตามไปดูที่พฤติกรรมของแก๊สจริง ต่อไปครับ