물질의 성질: 가스

가스는 어떤 크기나 모양의 용기에도 균일하게 채워집니다.

기체는 고정된 모양도 고정된 부피도 없는 물질의 상태입니다. 기체는 고체나 액체 등 다른 물질 상태보다 밀도가 낮습니다. 입자 사이에는 많은 양의 빈 공간이 있으며, 운동 에너지가 많고 서로 특별히 끌리지 않습니다. 가스 입자는 매우 빠르게 움직이고 서로 충돌하여 용기 전체에 균일하게 분포될 때까지 확산되거나 퍼집니다.

교육 웹사이트인 Lumen Learning에 따르면 가스는 용기로 완전히 둘러싸여 있거나 중력에 의해 함께 유지되어야만 억제될 수 있습니다.

더 많은 가스 입자가 용기에 들어가면 입자가 퍼질 수 있는 공간이 줄어들고 압축됩니다. 입자는 용기의 내부 부피에 더 많은 힘을 가합니다. 이 힘을 압력이라고 합니다. 압력을 표현하는 데 사용되는 여러 단위가 있습니다. 가장 일반적인 단위로는 대기(atm), 평방 인치당 파운드(psi), 수은 밀리미터(mmHg) 및 파스칼(Pa)이 있습니다. 단위는 1atm = 14.7psi = 760mmHg = 101.3kPa(1,000파스칼)과 같은 방식으로 서로 관련됩니다.

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퍼듀대학교(Purdue University)에 따르면 가스는 적절한 온도에서 압축을 통해 액체로 변환될 수 있습니다. 그러나 임계온도에 도달하면 아무리 많은 압력을 가해도 증기는 액화될 수 없습니다. 임계 압력은 임계 온도에서 가스를 액화하는 데 필요한 압력입니다.

Engineering Toolbox에 따른 다양한 물질의 임계 온도 및 압력의 예

방정식에서 P로 표시되는 압력 외에도 가스에는 온도(T), 부피(V) 및 몰수(n 또는 mol)로 표시되는 입자 수 등 측정 가능한 다른 특성이 있습니다. 가스 온도와 관련된 작업에서는 켈빈 척도가 자주 사용됩니다.

온도와 압력은 장소에 따라 다르기 때문에 과학자들은 계산과 방정식에 표준 온도 및 압력(STP)이라는 표준 기준점을 사용합니다. 표준 온도는 물의 어는점(화씨 32도(섭씨 0도 또는 273.15켈빈))입니다. 표준 압력은 1기압(atm), 즉 해수면에서 지구의 대기에 의해 가해지는 압력입니다.

온도, 압력, 가스의 양 및 부피는 상호 의존적이며 많은 과학자들이 이들 간의 관계를 설명하는 법칙을 개발했습니다.

1662년에 처음으로 이를 주장한 로버트 보일(Robert Boyle)의 이름을 따서 명명되었습니다. 보일의 법칙에 따르면 온도가 일정하게 유지되면 부피와 압력은 반비례 관계에 있습니다. 즉, 캘리포니아 대학 데이비스의 ChemWiki에 따르면 부피가 증가함에 따라 압력이 감소합니다.

사용 가능한 공간의 양을 늘리면 가스 입자가 더 멀리 퍼질 수 있지만 이로 인해 용기와 충돌할 수 있는 입자 수가 줄어들므로 압력이 감소합니다.

용기의 부피를 줄이면 입자가 더 자주 충돌하게 되므로 압력이 증가합니다. 이에 대한 좋은 예는 타이어에 공기를 채울 때입니다. 더 많은 공기가 들어가면 가스 분자가 서로 뭉쳐서 부피가 줄어듭니다. 온도가 동일하게 유지되는 한 압력은 증가합니다.

1802년, 프랑스의 화학자이자 물리학자인 Joseph Louis Gay-Lussac은 그의 동포인 Jacque Charles가 수집한 데이터를 참조하여 일정한 압력을 유지하는 기체의 온도와 부피 사이의 직접적인 관계를 설명했습니다. 대부분의 문헌에서는 이를 샤를의 법칙이라고 부르지만 일부에서는 이를 게이뤼삭의 법칙 또는 심지어 샤를 게이뤼삭의 법칙이라고 부릅니다.

이 법칙에 따르면 기체의 부피와 온도는 직접적인 관계가 있습니다. 즉, 압력이 일정하게 유지되면 온도가 증가함에 따라 부피도 증가합니다. 가스를 가열하면 입자의 운동 에너지가 증가하여 가스가 팽창합니다. 압력을 일정하게 유지하려면 기체를 가열할 때 용기의 부피를 늘려야 합니다.