여러 상황에서의 기체 입자의 운동과 그 부피






기체의 성질

기체는 볼 수도 없고 만질 수도 없기 때문에 기체의 본질을 이해하기 위해서는 약간의 상상이 필요합니다. 대부분의 일상생활에서 사람들은 공기에 대한 인식을 하지 않는 경우가 대부분입니다. 바로 이 점이 기체를 이해하기 어려운 점입니다.
기체는 다음과 같은 성질을 가집니다.

1. 기체는 용기의 한 곳에 모아 놓아도 금방 퍼지면서 용기 전체를 균일하게 채웁니다.
2. 기체는 액체나 고체에 비해 쉽게 압축됩니다.
3. 기체 분자들은 액체나 고체에 비해 서로 멀리 떨어져 있습니다.
4. 기체 분자들은 서로 잡아당기는 힘이 거의 없습니다.

기체 분자의 운동과 기체의 압력

고무 풍선을 불면 고무풍선 속으로 공기가 들어가면서 고무풍선이 팽팽히지므로 공기가 밀어내는 힘을 느낄 수 있습니다.
고무풍선 속의 기체 분자들은 끊임없이 운동하면서 고무풍선의 벽면이나 분자들끼리 충돌합니다. 이때 기체 분자들이 고무풍선의 벽면에 충돌하는 힘이 압력으로 작용하여 고무풍선이 팽팽해집니다.
한편 고무풍선에 공기를 많이 불어 넣을수록 고무풍선은 점점 더 커집니다. 이것은 고무풍선 속에 기체 분자들이 많아질수록 고무풍선의 벽면에 분자들이 더 많이 충돌하므로, 고무풍선의 벽면에 더 큰 압력이 작용하기 때문입니다. 이와 같이 기체 분자들이 끊임없이 움직이면서 용기의 벽면에 충돌하기 때문에 기체의 압력이 나타납니다.

이상기체 상태방정식

기체의 상태를 수식으로 나타내는 데는 다음의 4가지 변수가 사용됩니다.

1. 압력(P)
2. 부피(P)
3. 기체 분자의 수(n)
4. 온도(T)

닫힌 계(closed system)에서 이 4가지 변수들 사이의 관계는 다음과 같습니다.

1. 기체 분자의 수(n)가 증가하면 압력(P) 또는 부피(V)가 증가합니다.
2. 온도(T)가 올라가면 압력(P) 또는 부피(V)가 증가합니다.
3. 기체 분자의 수(n)와 온도(T)가 일정한 경우 압력(P)와 부피(V)는 서로 반비례 관계에 있습니다.

위 관계들은 하나의 비례식으로 표현할 수 있습니다.

P V ∝ n T

비례상수를 도입하면 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

P V = n R T

P: 기체의 압력(atm)
V: 기체의 부피(L)
n: 기체 분자의 수(몰, mol)
R: 비례상수(=0.082)
T: 기체의 온도(절대온도, K)

위 공식은 ‘이상기체 상태방정식’으로 알려져 있습니다.