กฎของชาร์ล ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและอุณหภูมิของแก๊ส

กฎของชาร์ล (Charles's Law) หรือที่รู้จักในชื่อ กฎของปริมาตร เป็นกฎทางฟิสิกส์และเคมีที่อธิบายพฤติกรรมของแก๊สเมื่อได้รับความร้อน โดยระบุว่าเมื่อความดันของแก๊สแห้งตัวอย่างหนึ่งคงที่ ปริมาตรของแก๊สนั้นจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (อุณหภูมิในหน่วยเคลวิน)

หลักการและสูตรคำนวณ

ความสัมพันธ์แบบแปรผันตรงนี้หมายความว่า เมื่ออุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้น ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย และในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิลดลง ปริมาตรของแก๊สจะลดลง โดยสามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

$$V \propto T$$

ซึ่งสามารถเขียนในรูปสมการได้ว่า:

$$\frac{V}{T} = k \quad \text{หรือ} \quad V = kT$$

โดยที่:

• V คือ ปริมาตรของแก๊ส
• T คือ อุณหภูมิของแก๊ส (ต้องวัดในหน่วย เคลวิน (Kelvin) เท่านั้น)
• k คือ ค่าคงที่สำหรับความดันและปริมาณแก๊สที่เฉพาะเจาะจง

สำหรับการเปรียบเทียบแก๊สชนิดเดียวกันภายใต้สภาวะสองชุดที่แตกต่างกัน สามารถใช้สูตรคำนวณได้ดังนี้:

$$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$$

ประวัติการค้นพบ

กฎนี้ตั้งชื่อตาม ฌัก ชาร์ล (Jacques Charles) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ผู้ซึ่งกำหนดกฎนี้ในงานเขียนที่ไม่ได้ตีพิมพ์ในช่วงทศวรรษ 1780 อย่างไรก็ตาม การพิสูจน์เชิงประจักษ์และการยอมรับในวงกว้างเกิดขึ้นในเวลาต่อมา

ในปี 1801 จอห์น ดอลตัน (John Dalton) ได้สาธิตผ่านการทดลองว่าแก๊สและไอระเหยทุกชนิดที่เขาศึกษา มีการขยายตัวในปริมาณที่เท่ากันระหว่างจุดคงที่ของอุณหภูมิสองจุด ต่อมาในวันที่ 31 มกราคม 1802 โจเซฟ หลุยส์ เกย์-ลูสแซก (Joseph Louis Gay-Lussac) ได้ยืนยันการค้นพบนี้ในการนำเสนอต่อสถาบันแห่งชาติฝรั่งเศส โดยเกย์-ลูสแซกได้ให้เครดิตการค้นพบนี้แก่ผลงานที่ไม่ได้ตีพิมพ์ของฌัก ชาร์ล

แม้ว่าดอลตันจะเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นว่ากฎนี้ใช้ได้กับแก๊สทุกชนิดและไอระเหยของของเหลวที่ระเหยง่าย (หากอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดมากพอ) แต่เกย์-ลูสแซกในขณะนั้นไม่สามารถแสดงให้เห็นว่าความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและอุณหภูมิเป็นฟังก์ชันเชิงเส้นได้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากข้อจำกัดในการวัดอุณหภูมิในขณะนั้น

ความสัมพันธ์กับศูนย์สัมบูรณ์

กฎของชาร์ลบ่งชี้ว่า หากลดอุณหภูมิของแก๊สลงเรื่อยๆ ปริมาตรของแก๊สจะลดลงจนเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งเกย์-ลูสแซกคำนวณไว้ที่ประมาณ -266.66 องศาเซลเซียส และค่าที่ยอมรับในปัจจุบันคือ -273.15 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นจุดที่เรียกว่า ศูนย์สัมบูรณ์ (Absolute Zero)

อย่างไรก็ตาม เกย์-ลูสแซกได้ระบุไว้อย่างชัดเจนว่า กฎนี้จะไม่สามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก เนื่องจากแก๊สจะสูญเสียสถานะความเป็นแก๊ส (Elastic state) และควบแน่นกลายเป็นของเหลวหรือของแข็งก่อนที่จะถึงจุดศูนย์สัมบูรณ์