이상기체란 무엇인가요? 이상기체 방정식은 어떻게 되는가? 이상기체의 특징은 무엇인가요?

보통의 조건 아래에서 기체는 거의 비슷한 거동을 보이는데 이에 대한 단순한 모형으로서 이상기체라는 개념이 도입되었다. 이상기체를 구성하는 각각의 입자는 용기 내부를 운동하면서 때때로 용기의 벽을 때려서 바깥으로 밀어내는 힘을 받게 되고, 이것이 압력의 근원이 된다. 이상기체는 거의 부피를 점유하지 않고 또한 입자끼리의 인력이나 척력, 충돌도 거의 없어 상호작용이 매우 약하게 작용하는 가상적인 기체이다. 만일에 앞의 '이상기체 모형' 그림처럼 아무런 상호작용이 없다면 처음에 주어진 속도의 분포가 변하지 않을 것이다. 그러나 실제의 이상기체는 미약한 상호작용의 결과로 얼마간의 에너지를 서로 교환하게 되며, 그 입자의 수가 많으면 빠른 시간에 속도의 분포가 일정해지는 열적 평형을 이루게 된다.

이상기체상태방정식의 형태는 PV=nRT 로 나타나며 기체의 몰수가 일정할 때 보일-샤를의 법칙도 성립한다.

해설 및 핵심용어정리

이상기체란 분자가 다른 물체와 부딪힐 때 완전탄성충돌(두 물체가 충돌할 때 충돌전의 운동에너지의 합과 충돌 후의 운동에너지의 합이 보존되는 충돌)이 일어나며, 분자 사이에 아무런 힘이 작용하지 않는 이상적인 기체를 말한다. 그런데 이와 같은 이상기체는 가상의 개념이므로 다음과 같은 몇 가지의 가정이 필요하다.

- 한 기체를 이루는 분자들의 종류는 모두 같다.

- 분자 사이에는 인력과 반발력이 없으며,

- 기체의 밀도는 매우 낮아 기체의 분자는 서로 뭉치지 않고 자유롭게 날아다닌다.

- 이상기체의 분자들은 끊임없이 직선 운동을 하며 다른 분자와 충돌하거나 기체를 담은 용기의 벽에 충돌하는데, 그렇게 만들어진 에너지는 모두 운동에너지로, 외부에서 다른 에너지가 유입되지 않는 한 이 에너지의 양도 일정하다.

운동에너지는 압력, 부피, 온도와 관련이 있다. 이런 점에서 이상기체는 이 세 가지 변수에 의해 상태가 결정된다고 할 수 있다. 그렇다면 압력, 부피, 온도는 이상기체의 상태에 어떤 영향을 미칠까? 먼저 기체가 담겨 있는 용기의 부피를 줄여보자, 기체의 압력은 분자가 용기의 벽을 힘 있게 때리거나 또는 분자들끼리 서로 부딪치기 때문에 발생한다. 그런데 용기의 부피가 자아지면 분자들은 더 작은 공간에 갇히게 되고 같은 시간당 더 많은 분자들이 벽에 충돌하게 되어 압력이 높아진다. 또 부피를 줄이기 위해 외부에서 해 준 일의 양만큼 분자들이 제한된 공간에서 더 빠르게 움직이면서 공간 안의 평균 운동에너지가 커지므로 온도도 높아진다. 그렇다면 부피는 그대로 두고 온도를 높여 보자. 열에너지가 유입되면 분자들이 더 빠르게 움직이게 되며, 이로 인해분자들이 벽에 충돌하는 강도와 횟수가 증가함에 따라 용기 안의 압력이 높아지게 된다. 이때 만약 용기의 재질이 고무처럼 탄성이 있는 것이라면 용기의 부피는 늘어나게 된다.

이상기체상태방정식

19세기 프랑스 물리학자 에밀 클라페롱은 이와 같은 이상기체의 상태에 영향을 미치는 세 변수의 관계를 정리하여 PV=nRT

R:기체상수

T:온도

n:이상기체의 몰수

라는 방정식을 발표했다.

이상기체 방정식을 활용하면 복잡한 기체의 상태 변호를 비교적 간단하게 설명할 수 있다. 그러나 이런 설명은 실험실에서 한 연구 결과에 한정되는 경우가 많다. 현실 세계의 기체는 이상기체 방정식을 정확하게 따르지 않을 때가 많기 때문이다. 실제의 기체는 이상기체에 비해 큰 분자나 복잡한 분자로 이루어져 있다. 따라서 이상기체의 분자와는 달리 서로를 끌어당기는 힘이 존재한다. 이런 인력은 주로 분자 속 원자들이 지닌 전하 때문에 생기는데, 단위 부피에 들어 있는 분자의 양이 많을수록, 또 기체가 압축될수록 커진다. 도 기체의 인력은 온도가 낮아지면 부자들의 속도가 느려져 더 커진다. 따라서 실제의 기체는 특별한 조건을 만족시키는 상황에 놓이지 못하면 이상기체 방정식으로부터 크게 벗어난다.