카미나 : 이렇게 된 이상 최후의 수단이다. 그걸 하자!
시몬 : 그거? 그게 뭔데?
카미나 : 멍청아, 그거라면 뻔하잖아! 합체다!
- 애니메이션 [천원돌파 그렌라간] 중에서-
이상 기체 법칙은 실험으로 측정한 거시적 행동과 구성 분자의 구조 및 상호작용을 연결 시킨 최초의 예이다. - 위키백과 -
기체의 법칙
지표의 자연계에서 인류가 발견해낸 기체에 관한 법칙들이 있다. 그것은 환경 조건에 따라 기체의 성질이 변한다는 것을 발견한 것들이었다. 발견했던 법칙들은 서로 독립적이었으나 이들은 마치 합체로봇처럼 완벽한 조화를 이루며 하나의 완성된 우주 법칙으로 도약하는데...
보일의 법칙
보일의 법칙에 대한 현대적인 정의는 다음과 같다고 한다.
온도와 기체의 양이 일정한 닫힌 계 내에서 일정한 질량의 이상 기체가 가하는 절대압력은 그것이 차지하고 있는 부피에 반비례한다. - 위키백과 -
자주 예로 드는 풍선에 비유하자면, 풍선 안에 있는 기체분자는 온도가 일정할 때 기압이 높아질수록 그 부피가 줄어든다는 것이다. 직관적으로도 당연하다. 터지지 않는 풍선을 물속에 넣고 깊은 바닷속까지 가지고 들어간다고 해보자. 깊이 들어갈수록 풍선은 쪼그라들 것이다.
수학적으로 표현하면 아래와 같다
PV=k
P : 기체에 가해지는 압력
V : 기체의 부피
k : 상수
샤를의 법칙
샤를의 법칙의 정의는 다음과 같다.
기체의 압력이 일정할 때 기체의 부피가 기체의 절대온도에 비례한다. - 네이버 지식백과 -
아까 그 풍선을 물밖로 꺼내와서 원래 크기로 손에 들고 있다고 해보자. 오븐에 넣어도 기압은 일정하다. 그런데 여기서 오븐의 전원을 켜고 높은 온도로 데운다면? 당연히 풍선은 크게 부풀어 오를 것이고 온도가 올라갈수록 풍선은 점점 더 커질 것이다. 그리고 전원을 끄고 다시 실온이 될 때까지 기다린다면 원래 크기도 되돌아온다.
수학적으로 표현하면 아래와 같다
V/T=k
V : 기체의 부피
T : 절대온도
k : 상수
아보가드로 법칙
모든 기체는 같은 온도, 같은 압력에서 같은 부피 속에 같은 개수의 입자(분자)를 포함한다. - 위키백과 -
같은 장소에 똑같은 터지지 않는 풍선을 두 개 가져다 놓고 하나에는 이산화탄소를, 다른 하나에는 질소를 똑같은 부피가 될 정도로만 채워 넣는다면 두 풍선에 들어 있는 분자들의 수는 같다는 내용이다(원자가 아니니 주의하자). 이게 신기하게 아무리 무거운 분자 건, 아무리 가벼운 분자건 모두 똑같은 부피의 기체라면 분자의 수도 이론적으로는 같다는 것이다. 왜 그럴까?
아보가드로 법칙의 증명
유투브에 있는 영상들에서는 게이뤼삭의 법칙과 그 실험을 예로 들어 설명하고 있다. 결론적으로 같은 부피인 다른 종류의 기체 분자들은 질량에는 차이가 있는 것을 확인했지만 동일 수의 기체 분자가 갖는 부피는 동일하다는 것을 실험적으로 증명했다고 한다.
그리고, 이상기체 법칙
거시적인 이상 기체 상태 방정식은 다음과 같은 식으로 표시된다.
PV = nRT
(P:압력, V:부피, n:기체의 몰수, R:기체 상수, T: 절대 온도)
- 위키백과 -
앞에서 설명된 법칙을 한데 모아 이상기체 법칙(ideal gas law)이 완성되었으며, 이름 그대로 다른 사실적인 조건들을 배제한 이상적인 조건 속 기체는 이 법칙을 반드시 따른다고 하고 있다. 나중에 이 결함을 보완한 반데르발스 상태방정식을 추가로 적용하여 사용되고 있다.
이 법칙은 대기압 부근에서 거의 모든 기체에 대해 잘 적용되며, 압력이 낮아질수록 온도가 높아질수록 더 정확하게 성립한다. 또한 무극성이면서 낮은 분자량을 가진 분자일수록 더 정확하게 성립한다. 즉, 이 법칙은 낮은 밀도의 기체를 기술하는 일종의 극한 법칙에 해당한다. 또한 R은 상수이므로 다음과 같이 이상기체상태방정식을 나타낼 수 있다.
P1V1/n1T1 = P2V2/n2T2
- 위키백과 -
'자연과학 > 물리학' 카테고리의 다른 글
| 자기력, 보이지 않는 힘 (0) | 2023.01.08 |
|---|---|
| 전기의 본질 (0) | 2022.12.28 |
| 하늘은 왜 파란색일까? (0) | 2022.10.11 |