실제 기체와 이상기체의 차이를 설명해보세요.

이상기체는 질량과 에너지를 갖고 있으나 자체의 부피를 갖지 않고 분자 간 상호작용이 존재하지 않는 가상적인 기체이다. 반면에 실제기체는 부피를 가지며 분자 간 상호작용이 있으므로 이상기체와 상당한 차이를 보인다. 실제기체 중에서 분자량이 작은 기체일수록 이상기체와 가까운 특성을 가진다.

또 이상기체는 뉴턴의 운동법칙에 따라 완전 탄성충돌을 하므로 에너지 손실이 없고 분자 간 인력도 없으므로 온도와 압력을 변화시켜도 고체나 액체 상태로 변하지 않고 기체로 남으며 절대 0도에서 부피가 완전히 0이 된다. 그러나 실제기체는 충돌 시 에너지 손실이 일어날 수 있고 온도와 압력에 따라 상태 변화를 일으키며 부피가 0이 되는 일은 없다.

이상기체의 성질을 갖는 기체는 존재하지 않지만 실제기체가 상당히 높은 온도와 낮은 압력 상태에 있다면 분자간의 거리가 멀고 기체분자의 속도가 빨라서 분자간 상호작용을 극복할 수 있기 때문에 이러한 조건 하에서 실제기체를 이상기체로 가정할 수 있다.

참고) 이상기체

이상기체 법칙을 따르는 기체를 이상기체라고 한다. 구성분자들이 모두 동일하며 분자의 부피가 0이고, 분자끼리의 상호작용이 없는 가상적인 기체이다. 이상기체는 임의의 온도와 압력 하에서 다음 가정들로부터 유도되는 관계를 따른다.

- 어떤 한 기체는 많은 동일한 분자들로 구성된다. ‘많다’라는 표현은 개개의 분자들의 경로를 추적할 수 없다는 것을 의미한다.

- 분자들은 뉴턴의 운동법칙을 따른다.

- 분자 자체만의 총 부피는 기체 전체가 차지하는 부피 중에서 무시할 수 있을 만큼 작은 부분이므로 분자의 부피는 무시할 수 있다.

- 모든 분자의 운동은 무작위적(random)이다. 즉, 각각의 분자들은 각각의 운동방향과 속력을 가지고 운동한다.

- 분자들은 서로 상호작용하지 않으며, 분자와 용기 벽면의 충돌은 완전탄성충돌이라 가정한다.

이상의 가정 하에서는 기체의 상태 변화를 기술하는 것이 비교적 간단하다. 이상기체 법칙은 다음과 같으며, 이상기체는 이상기체 법칙을 따른다.

여기에서 P는 압력, V는 부피, n은 기체의 몰수, R은 기체상수로서 8.3145J/mol K, T는 절대 온도이다.

참고) 실제기체

실제기체는 구성 분자의 부피가 0이 아니고, 분자끼리 상호작용을 하므로 이상기체의 가정과는 다르게 움직인다. 하지만 실제의 기체들도 압력이 충분히 낮고 온도가 높은 경우에는 이상기체와 비슷하게 움직인다. 실제로 대기압에서 많은 기체가 이상기체와 유사한 움직임을 보이므로 실제기체를 표현하는데 이상기체의 법칙을 이용해도 큰 무리가 없다.