กฎการไหลออกของเกรแฮมเป็นหลักการที่อธิบายพฤติกรรมของก๊าซเมื่อก๊าซหลุดออกมาผ่านรูเล็กๆ ที่เรียกว่าการไหลออก กฎนี้กำหนดโดยนักเคมีชาวสก็อต โทมัส เกรแฮม ในปี 1848 กฎของเกรแฮมอธิบายว่าอัตราการไหลของก๊าซแปรผกผันกับรากที่สองของมวลโมลาร์อย่างไร ซึ่งหมายความว่าก๊าซที่เบากว่าจะระบายเร็วกว่าก๊าซที่หนักกว่า
การระเหยเป็นกระบวนการที่โมเลกุลของก๊าซหลุดออกจากภาชนะผ่านรูเล็กๆ เข้าไปในสุญญากาศ การไหลไม่ควรสับสนกับการแพร่กระจาย ซึ่งเป็นการแพร่กระจายของโมเลกุลก๊าซไปทั่วช่องว่างจนกว่าจะมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ การไหลออกมุ่งเน้นไปที่การเคลื่อนที่ของก๊าซผ่านสิ่งกีดขวาง ในขณะที่การแพร่กระจายเกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของก๊าซในพื้นที่เปิด
กฎของเกรแฮมสามารถแสดงทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:
\( \frac{Rate_1}{Rate_2} = \sqrt{\frac{M_2}{M_1}} \)ที่ไหน:
สมการนี้บอกเป็นนัยว่าอัตราที่ก๊าซไหลออกมาเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าผกผันของรากที่สองของมวลโมลาร์ ดังนั้น ก๊าซที่มีมวลโมลาร์ต่ำกว่าจะไหลออกมาเร็วกว่าก๊าซที่มีมวลโมลาร์สูงกว่า
ตัวอย่างที่ 1: การเปรียบเทียบไฮโดรเจนและออกซิเจน
พิจารณาก๊าซไฮโดรเจน (H 2 ) และออกซิเจน (O 2 ) ไฮโดรเจนมีมวลโมลประมาณ 2 กรัมต่อโมล และออกซิเจนมีมวลโมลประมาณ 32 กรัมต่อโมล การใช้กฎของเกรแฮม:
\( \frac{Rate_{H_2}}{Rate_{O_2}} = \sqrt{\frac{32}{2}} = \sqrt{16} = 4 \)ซึ่งหมายความว่าก๊าซไฮโดรเจนจะระบายเร็วกว่าก๊าซออกซิเจนถึงสี่เท่า
ตัวอย่างที่ 2: การแพร่กระจายกลิ่นน้ำหอม
เมื่อฉีดน้ำหอมกลิ่นจะกระจายไปทั่วห้องอย่างรวดเร็ว เนื่องจากโมเลกุลน้ำหอมมีมวลโมเลกุลเล็ก ซึ่งช่วยให้น้ำหอมระเหยไปในอากาศได้อย่างรวดเร็วตามกฎของเกรแฮม
กฎของเกรแฮมมีการนำไปประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติหลายประการในกระบวนการทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม:
แม้ว่ากฎของเกรแฮมจะให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าเกี่ยวกับพฤติกรรมของก๊าซ แต่ก็มีข้อจำกัดบางประการ:
แม้ว่าบทเรียนนี้จะไม่เกี่ยวข้องกับการทดลอง แต่การทำความเข้าใจว่ากฎของเกรแฮมสามารถแสดงให้เห็นได้อย่างไรนั้นมีประโยชน์ การทดลองง่ายๆ อย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ลูกโป่งสองใบที่เต็มไปด้วยก๊าซที่แตกต่างกัน เช่น ฮีเลียมสำหรับลูกโป่งหนึ่งและคาร์บอนไดออกไซด์สำหรับอีกลูกโป่งหนึ่ง เมื่อติดบอลลูนเหล่านี้เข้ากับอุปกรณ์ปล่อยก๊าซ เราสามารถสังเกตอัตราที่ก๊าซแต่ละชนิดหลุดออกจากบอลลูนได้ การวัดเวลาที่ใช้ในการทำให้บอลลูนแต่ละลูกยุบตัวสามารถแสดงให้เห็นการปฏิบัติจริงของกฎของเกรแฮมได้
กฎการไหลออกของเกรแฮมเป็นหลักการพื้นฐานในการศึกษาก๊าซ โดยให้ความเข้าใจที่ชัดเจนว่าก๊าซต่างๆ ไหลผ่านช่องเปิดเล็กๆ อย่างไร และมีการใช้งานที่สำคัญในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ แม้จะมีข้อจำกัด กฎของเกรแฮมยังคงเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ทำงานกับก๊าซและก๊าซผสม
