[기체의 상태방정식]이상기체 상태방정식

이상기체 방정식을 알기 전에 먼저 이상기체가 무엇인지를 알아야 한다.

 

이상기체란 쉽게 말해서 현실에서 존재할 수 없는 이상적인 기체를 말한다.

 

이상적인 기체라고 부르기 위한 조건은 5가지가 있다.

 

1. 임의의 기체는 경로를 알 수 없는 많은 숫자의 동일한 분자들로 구성된다.
2. 분자들은 뉴턴의 운동법칙을 따른다.
3. 분자 자체만의 총부피는 기체 전체가 차지하는 부피 중에서 무시할 수 있을 만큼 작은 부분이다.

다시 말하면 분자 자체의 부피는 무시한다.
4. 모든 분자의 운동은 무작위로 해야 한다. 각 분자들이 서로 다른 운동방향과 속력을 가지고 운동하는 것이다.
5. 분자들은 서로 상호작용하지 않으며, 분자와 분자, 혹은 분자와 용기 벽면의 충돌은 완전 탄성충돌이라 가정한다.

(상호작용을 하지 않는다는 의미는 분자 서로간의 운동에 간섭을 조금도 하지 않는다는 의미다.)

 

위 5가지를 만족하는 기체라면 우리는 이상기체라고 정의내린다.

 

그럼 이상기체 상태방정식은 무엇일까?

 

이상기체 상태방정식은 다음 4개의 법칙이 하나로 통합된 식이다.
보일의 법칙 - 일정한 온도와 일정한 양의 기체에서 부피와 압력은 반비례 한다.(V∝1/P)
샤를의 법칙 - 일정한 양의 기체와 일정한 압력에서 부피와 온도는 비례한다. (V∝T)
기체 반응의 법칙 - 동일한 온도와 압력 하에서 반응하는 두 기체의 부피는 간단한 정수비로 되어 있다.
아보가드로의 법칙 - 일정한 압력과 일정한 온도에서 부피와 몰수는 비례한다.(V∝n)

여기에 값을 보정하기 위한 비례 상수 R(R=0.082 atm*L/㏖*K 또는 R=8.314 J/㏖*K)을 추가하면

이러한 식이 완성된다.

 

이 식의 장점은 식이 아주 간단하다는 것이다. 비록 이상기체 한정이지만 몇 가지의 상태 조건을 안 후 간단한 곱셈, 나눗셈만 해준다면 그 기체의 여러 가지 값을 쉽게 찾을 수 있고, 4가지의 법칙에 표기되어있는 비례관계를 적용하여 상태변화를 쉽게 관찰할 수 있다. 그리고 실제 기체에 적용한다 하여도 대기압 정도의 압력(1 bar)과 일반적인 상온에서는 오차가 그렇게 크지 않기 때문에 간단한 실험 정도에는 적용시켜도 큰 무리는 없다. 따라서 기초적인 기체의 거동을 파악하기 위한 학습으로는 아주 최고의 상태 방정식인 셈이다.

 

이상기체 방정식은 모든 기체에 관련된 상태 방정식뿐만 아니라 많은 과학의 기본이 되기도 한다.

이 방정식을 통하여 기체의 거동에 대한 개념적인 이해를 하여 기초를 다지도록 하자.