기체의 성질

직관 도입: 기체 분자는 어떻게 행동하는가?

압력과 부피와 절대온도와 몰수를 한꺼번에 건드리면 어느 쌍이 원인인지가 가려진다. 보일 법칙은 온도와 몰수를 붙잡은 뒤에야 P와 V가 반비례로 남고, 샤를 법칙은 압력과 몰수를 붙잡은 뒤에야 V와 T가 정비례로 남는다. 아보가드로 관계까지 같은 조건에서 겹치면 네 양은 PV = nRT 한 줄로 모이는데, 그때 T는 섭씨가 아니라 켈빈이다. 혼합 기체에서는 각 성분이 제 몰분율만큼 전체 압력에 더해진다는 돌턴의 자리가 그 식 옆에 붙는다. 조건을 먼저 적지 않으면 같은 기호가 다른 법칙을 가리키게 돼요.

이상 기체 법칙 시각화

왼쪽은 피스톤이 있는 용기이고, 안의 점 열다섯 개는 자리에 고정되어 있으며 온도가 높을수록 점의 반지름과 밝기만 커진다. 용기 높이로 부피 V가 L로 적히고, 위쪽 화살표 세 개는 압력 P를 atm으로 적는다. 오른쪽 PV 칸에는 금색 등온선이 그려져 있고 빨간 점이 지금 상태다. 압력 슬라이더를 0.5 atm에서 5.0 atm으로 올리면 같은 온도에서 피스톤이 내려앉아 부피가 줄고 빨간 점이 등온선을 따라 옮겨 찍히며, 온도 슬라이더를 -50°C에서 200°C로 바꾸면 T = °C + 273인 켈빈으로 환산된 뒤 등온선 자체가 다시 그려진다. 이 그림의 n은 1 mol로 고정이고 R은 0.0821이다.

세 법칙의 통합 → 이상 기체 방정식

섭씨 눈금을 그대로 곱하면 0°C 근처에서 관계가 무너진다. 기체 법칙의 T는 절대온도라서 K = °C + 273으로 옮긴 뒤에야 V/T나 PV = nRT가 성립한다. 압력과 부피를 동시에 마음대로 바꾸면 보일의 전제(T, n 일정)와 샤를의 전제(P, n 일정)가 한꺼번에 깨지므로, 어느 칸을 붙잡았는지를 식 옆에 먼저 써야 한다. 높은 압력과 낮은 온도에서는 분자 부피와 인력이 이상 식에서 벗어나기 시작하고, STP의 22.4 L 눈금도 0°C, 1 atm이 아니면 같은 숫자가 아니다. 단위와 켈빈 환산을 맞춘 뒤에 비를 계산하는 편이 안전하다.

혼합 기체와 분압

예제로 익히기

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