1. 물질의 상태 Lesson 2 기체분자 운동론

2. 기체분자 운동론

중학교때와 그리고 통합과학등에서 공부한 증발과 확산등은 기체 분자 운동의 증거입니다. 기체 분자들은 스스로 자유롭게 운동하며 에너지가 변하므로 기체 분자의 운동으로 기체의 성질을 설명할 수 있습니다.

(1) 기체 분자 운동론

기체 분자들은 기체의 종류에 관계없이 빈 공간을 빠른 속도로 자유롭게 운동하며 열에 의해 그 분자의 운동 에너지가 변합니다. 이와 같은 기체 분자의 자유로운 열운동을 토대고 기체의 성질을 설명하는 이론을 기체 분자 운동론이라고 합니다.

(2) 기체 분자 운동론의 가정

기체 분자 운동론은 다음과 같이 기체분자에 대한 가정을 하고 접근합니다.

- 기체 분자들은 다양한 속력 분포를 가지고 무질서한 방향으로 끊임없이 불규칙적인 운동을 하고 있다.

- 기체 분자 사이에는 인력이나 반발력이 작용하지 않는다.

- 기체 분자는 완전 탄성체로, 충돌에 의하여 기체의 운동 에너지가 변하지 않는다.

- 기체 분자 자체의 크기는 기체가 차지하는 전체 부피에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작다.

- 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절대 온도에만 비례하며, 분자의 크기, 모양, 종류에는 영향을 받지 않는다.

k는 볼츠만 상수, T는 절대온도 입니다.

(3) 기체 분자 운동론과 기체의 성질

여기서는 우리가 앞에서 살펴본 기체에 대한 여러 법칙과 기체 분자 운동과의 관계를 차근히 이해해 보도록 합시다.

1) 기체 분자 운동론과 보일의 법칙

보일의 법칙에서 변하지 않는 부분은 온도와 기체의 양입니다. 그러면 그러한 기체의 부피가 절반으로 감소하게 되면 기체를 담는 용기에 부딪히는 횟수도 2배가 되게 됩니다. 따라서 용기에 부딪히는 힘의 크기도 2개가 되므로 압력도 두배가 되게 됩니다.

이를 다음 그림과 표로 정리해 봅시다.

온도, 분자수	(가)=(나)
부피	(가)>(나)
충돌 횟수	(가)<(나)
운동 속도	(가)=(나)
압력	(가)<(나)

2) 기체 분자 운동론과 샤를의 법칙

샤를의 법칙에서 변하지 않는 부분은 기체의 압력과 기체의 양입니다. 이 상황하에서 기체의 온도가 높아지게 되면 기체의 평균 운동에너지가 상승합니다. 그러면 기체 분자의 질량은 변하지 않지만 기체의 분자 운동속도가 더 커지게 되므로 기체 분자가 용기 안쪽 벽면에 충돌하는 횟수와 세기가 증가하게 됩니다. 따라서 용기에 작용하는 압력이 더 커지게 됩니다. 그러면 피스톤을 밀어내게 되므로 기체의 부피는 커지게 됩니다. 

이를 다음 그림과 표로 정리해 봅시다.

압력, 분자 수	(가)=(나)
온도	(가)<(나)
운동 속도	(가)<(나)
충돌 세기	(가)<(나)
부피	(가)<(나)
평균 운동 에너지	(가)<(나)

3) 기체 분자 운동론과 아보가드로 법칙

아보 가드로의 법칙에서 변하지 않는 부분은 온도와 압력입니다. 이 상황에서 기체의 양을 증가시키게 되면 단위 부피당의 기체분자수가 증가하여 용기 안쪽 벽면에 충돌하는 기체의 분자 수가 증가하게 됩니다. 따라서 용기 안쪽 압력이 더 커지게 되고, 용기 안쪽 압력과 밖의 압력이 같아질 때까지 부피가 커지게 됩니다.

이를 다음 그림과 표로 정리해 봅시다.

온도, 압력	(가)=(나)
운동 속도	(가)=(나)
분자 수	(가)<(나)
부피	(가)<(나)

(4) 이상 기체와 실제 기체

1) 이상 기체

이상기체는 실제로는 존재하지 않는 가상의 기체로, 기체분자 운동론의 가정을 완전히 만족하는 가상의 기체를 말합니다.

2) 실제 기체

분자의 부피가 존재하고 분자 사이에 인력이 반발력이 작용하므로 이상 기체 방정식이 정확하게 적용되지는 않습니다.

3) 이상 기체와 실제 기체의 차이

위와 같은 실제와 가상 사이에 차이점이 존재하므로 실제 1 mol 의 기체의 부피는 22.4L가 정확하게 나오진 않습니다. 특히 분자 사이의 인력이 강할수록 1 mol의 부피가 22.4L 보다 더 작아지는 경향을 나타냅니다. 즉 인력이 강하므로 부피가 더 작게 되는것이죠 또한 이상 기체는 분자의 크기가 없다고 가정하므로 0K에서 부피가 0입니다. 분자 사이에 인력과 반발력이 없으므로 온도를 낮추어도 상태변화가 일어나지 않습니다. 당연지사 이상 기체 방정식이 정확하게 적용되는 기체는 존재하지 않죠 시험 문제에서나 존재하는 기체라고 할 수 있겠죠

다음 표로 이 차이점을 정확하게 파악해 보도록 합시다.

구분	이상기체	실제 기체
분자의 크기	0	존재하고 기체에 따라 다름
분자의 질량	있음	있음
0K에서의 부피	0	상태변화가 일어남
기체에 관한 법칙	100% 일치	고온, 저압에서 잘 맞음
분자 사이의 인력과 반발력	없음	존재함

그럼 실제기체가 이상기체의 법칙이 잘 맞아 들어가는것이 고온, 저압에서인데 그 이유는 무엇일까요?? 

가장 큰 원인은 분자간 인력입니다. 고온 저압 상태에서는 기본적으로 기체의 부피가 커지게 됩니다. 기체의 부피가 커진다는 얘기는?? 분자간의 인력이 감소하게 되죠 반대로 높은 압력이거나 낮은 온도에서는 이상기체의 상태와 많이 벗어남을 알 수 있습니다. 다음의 그래프로 확인해 보고 이상기체와 실제 기체의 차이점에 대해 파악을 잘 해두도록 합시다.