이상기체 법칙이란 무엇입니까?

레트 알랭

당신은 가스에 관심을 가져야 합니다. 왜냐하면 당신은 가스에 살고 있기 때문입니다. 당신 주변의 공기는 가스입니다. 에어백, 고무 풍선, 자전거 펌프, 스쿠버 다이빙과 같은 수중 스포츠 등을 다룰 때 가스의 거동을 이해하는 것도 유용합니다. 하지만 솔직해지자. 당신은 파티 풍선이나 자전거 펌프를 위해 여기에 있지 않습니다. 당신은 아마도 기초 화학 과정을 듣고 있고 이상기체 법칙이 매우 혼란스럽기 때문에 여기에 왔을 것입니다. 그래서 그것을 구글에서 검색했습니다.

(아니면 그냥 과학 공부를 하러 온 것일 수도 있습니다. 그렇다면 정말 대단합니다.)

그렇다면 이상기체 법칙은 무엇인가? 매우 짧은 대답은 주어진 가스의 압력, 부피, 온도 및 입자 수 간의 관계라는 것입니다. 방정식은 다음과 같습니다.

이 5개 항은 압력(P), 부피(V), 몰수(n), 상수(R)(켈빈-몰당 8.3145줄 값) 및 온도(T)입니다. 이러한 각 용어가 무엇을 설명하는지 알지 못하면 이상기체 법칙을 이해할 수 없습니다.

물리학자들이 좋아하는 이 방정식의 또 다른 버전이 있습니다.

유선 직원

브렌다 스톨야르

윌 나이트

메데이아 지오다노

이 버전에는 두 가지 차이점이 있습니다. 몰 수를 나타내는 n 대신에 기체 입자의 총 수를 나타내는 N을 사용합니다. 또한 상수 R은 켈빈당 1.380649×10−23 줄의 값을 갖는 볼츠만 상수 k로 대체됩니다.

각 용어에 대해 설명해 보겠습니다.

당신 주변의 공기가 작은 공 묶음으로 이루어져 있다고 상상해보십시오. 이 공은 너무 작아서 볼 수 없지만 모든 방향으로 움직이고 있습니다. 이것이 바로 가스입니다. 가스는 서로 다른 속도와 방향으로 이동하는 많은 분자로 구성됩니다. 당신이 호흡하는 공기의 경우, 이 분자들은 대부분 분자 질소(두 개의 질소 원자가 서로 결합되어 있음)이지만 일부 산소 분자(두 개의 산소 원자)도 있습니다. 이 분자는 실제로 작은 공은 아니지만 이 모델의 경우 공 모양을 상상하는 것이 좋습니다.

이 가스를 상자 안에 넣으면 이 공 중 일부가 벽과 충돌합니다. 다음은 이러한 충돌 중 하나에 대한 다이어그램입니다.

이제 약간의 물리학이 필요합니다. 볼링공처럼 움직이는 물체가 있다고 가정해 보세요. 공에 작용하는 힘이 없으면 공은 일정한 속도와 방향으로 계속 움직일 것입니다. 따라서 벽에 충돌할 때와 같이 방향이 바뀌면 밀어내는 힘이 있어야 합니다. 그러나 힘은 항상 두 가지 사이의 상호 작용이므로 벽이 공을 밀면 공도 벽을 밀어야 합니다.

가스 분자와 같은 아주 작은 물체에서도 같은 일이 일어납니다. 이 작은 가스 공 중 하나가 용기 벽과 충돌할 때마다 벽에 작은 힘이 가해집니다.

압력을 면적당 힘으로 정의합니다. 방정식으로 보면 다음과 같습니다.

유선 직원

브렌다 스톨야르

윌 나이트

메데이아 지오다노

F는 힘, A는 면적입니다. 단일 충돌로 인한 힘은 분자의 속도와 질량에 따라 달라집니다. 이렇게 생각해보세요. 가벼운 골프공을 매우 빠른 속도로 던질 수도 있고, 아주 큰 볼링공을 느린 속도로 굴릴 수도 있습니다. 빠른 골프공은 속도가 낮은 질량을 보완한다면 느린 볼링공과 동일한 충격을 줄 수 있습니다.

가스를 담고 있는 용기의 벽에 가해지는 총 힘은 분자의 속도와 질량뿐만 아니라 분자 중 얼마나 많은 분자가 벽과 충돌하는지에 따라 달라집니다. 주어진 시간 간격 동안 벽과의 충돌 횟수는 분자 속도와 벽 면적이라는 두 가지 요소에 따라 달라집니다. 더 빠르게 움직이는 분자는 더 많은 충돌을 일으킬 것입니다. 벽 면적도 더 커질 것입니다. 벽에 가해지는 압력을 결정하려면 이 충돌력을 면적으로 나눕니다. 따라서 결국 가스의 압력은 분자의 질량과 속도에 따라 달라집니다.

가스 분자가 용기 벽과 충돌할 때 압력이 발생한다는 개념을 이해하는 것은 쉽습니다. 그러나 이러한 분자는 아무것도 포함되지 않은 경우에도 여전히 움직이고 여전히 압력을 받는다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 물리학에서는 압력을 벽과의 충돌이 아닌 가스의 속성으로 간주합니다.