기체에 관한 여러 가지 법칙

[객원 에디터 3기 / 문시연 기자] 기체란 무엇일까? 기체는 물질의 일반적인 상태 중 한 가지로 고체, 액체보다 분자 간 인력이 없는 상태를 말한다. 여기서 기체는 닫힌 공간 같은 곳에서 분자가 균일하게 퍼져서 채워지게 되는데 기체의 압력 중 대기압을 제일 먼저 측정했던 사람은 토리첼리다.

토리첼리는 긴 유리관에 수은을 채워서 수은이 담긴 용기에 거꾸로 세웠는데, 수은 기둥의 높이가 76cm인 위치에서 수은이 더 이상 내려오지 않았다. 즉, 수은 기둥의 높이가 더 이상 변하지 않고 일정하게 유지되었다는 것이다. 이러한 현상은 수은 기둥이 누르는 압력이 대기압과 같을 때 발생한다. 왜냐하면 수은 기둥의 압력이 대기압보다 크면 수은이 담긴 용기의 높이가 증가할 것이고, 대기압이 수은 기둥의 압력보다 세면 수은 기둥의 높이가 증가할 것이기 때문이다. 토리첼리는 수은 기둥 76cm가 누르는 압력을 1 기압이라고 부르고 다른 말로 760mmHg라고 했다.

기체의 압력은 부피와 온도와 관련이 있다. 온도가 일정할 때 일정량의 기체에 가해지는 압력이 커지면 기체의 부피는 작아지고 압력이 낮아지면 기체의 부피는 커지는 반비례 성질을 가지고 있다. 이것을 보일 법칙이라 부른다. 이를 통해 알 수 있듯이 온도가 일정하면 압력과 부피의 곱이 처음과 나중이 같다는 것을 알 수 있다.

또 다른 측면에서 압력이 일정할 때는 일정량의 기체는 절대 온도가 높아지면 기체의 부피가 커지고 절대 온도가 낮아지면 기체의 부피가 작아진다. 이것은 샤를 법칙이다. 절대온도는 -273℃를 0으로 하는 온도로 단위는 K(켈빈)이다. 여기서 보일과 샤를 법칙을 합친 것이 보일-샤를 법칙인데 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례하고 절대 온도에 비례한다는 것이다. 

기체에 대해서 알아보면 실제로 존재하는 실제 기체와 이상 기체가 빠질 수 없다. 여기서 이상 기체와 실제 기체는 차이가 있다. 이상 기체는 분자의 부피가 없고, 분자 사이에 인력이나 반발력이 작용하지 않은 현실에 존재하지 않는 가상의 기체다. 그러나 실제 기체는 분자의 부피가 있고 분자 사이에 인력이나 반발력이 작용하는 기체이다. 그렇다면 실제 기체가 이상 기체와 비슷해지려면 어떻게 해야 할까? 실제 기체의 압력이 낮을수록, 온도가 높을수록, 분자량이 적을수록 이상 기체에 잘 맞다. 낮은 압력에서는 기체 분자가 차지하는 부피가 전체 부피에 비해 작으니 무시할 수 있지만 높은 압력에서는 기체 분자가 차지하는 부피가 전체 부피에 비해 큰 비율을 차지하니 무시할 수 없다. 즉, 높은 압력일수록 실제 기체는 이상 기체와 멀어진다.

기체에는 보일 법칙, 샤를 법칙 등 다양한 법칙이 있다. 이러한 법칙들을 통해 기체의 압력, 온도, 부피의 관계를 알아볼 수 있고, 기체의 성질에 대해 배울 수 있다. 그리고 이상 기체와 비슷한 실제 기체의 값을 기체의 법칙에 관련된 식에 대입하면 기체의 성질에 대해 예측할 수 있다.