기체의 온도와 부피

 

먼저 기체의 온도가 올라가면 부피가 어떻게 변하는지부터 관찰해 봅시다.

 



풍선은 부피를 조절할 수 있는 용기와 같습니다. 풍선 벽 바깥에서 안쪽으로 작용하는 압력과 안쪽에서 바깥쪽으로 작용하는 압력이 같아지도록 부피가 조절됩니다.

 

 



풍선의 부피가 커지는 이유는 풍선 벽 바깥에서 작용하는 힘보다 안쪽에서 작용하는 압력이 더 커서 풍선 벽을 바깥으로 밀어내기 때문입니다.



공기를 데우니까 부피가 커졌지요. 가열하는 동안 풍선 벽 바깥에서 작용하는 압력은 대기압(약 1기압)으로 똑같았습니다. 그렇다면 가열하는 동안 풍선의 부피가 커진 이유는?






즉, 기체를 가열하면 부피가 증가하기까지 다음 두 사건이 연이어 일어났다고 생각할 수 있습니다.

(1) 부피가 변하지 않은 상태에서 기체에 의한 압력이 증가하고
(2) 이 압력의 증가를 해소하기 위해 부피가 증가한다.

 

 

 

 

 

기체의 온도가 높아지면 풍선 벽에 작용하는 압력이 왜 커지는 걸까요? 기체가 용기 벽에 작용하는 힘의 크기는 기체 분자가 한번 충돌할 때 전달하는 힘이 클수록, 충돌하는 빈도가 클수록 크지요.
기체의 온도가 올라가면 기체 분자들이 가지는 에너지가 많아집니다. 따라서 더 빠른 속도로 운동하지요. 분자들이 빠르게 운동하면 한번 충돌 할 때 벽에 전달하는 힘은?




부피가 일정하다면 분자들이 빠르게 운동할수록 용기 벽에 부딪히는 빈도는?




기체의 온도가 올라가, 분자들의 운동이 빨라지니 한번 충돌에 전달하는 힘의 크기도 커지고, 충돌하는 빈도도 커집니다. 따라서 용기의 부피가 변하지 않는다면 용기 벽에 작용하는 압력이 커지지요.
만약 부피를 자유로이 조절할 수 있는 용기라면 바깥쪽 압력과 안쪽 압력이 같아지도록 부피를 늘리겠지요. 즉, 기체의 양과 압력이 일정하게 유지되면 기체의 온도가 증가하면 부피가 증가합니다.

 

 

 

기체의 온도와 부피 관계 정량적으로 보기

: 깊이 공부할 학생만 보세요.

 

정량적인 관찰에 으하면 기체의 온도가 섭씨 1도 오르면 기체는 섭씨 0도에서의 부피의 1/273만큼씩 커진다고 합니다.

 

 

섭씨 온도 (t)에 273 도를 더한 온도를 절대온도 (T)라고 하면 일정한 양의 기체가 일정한 압력을 유지하면서 온도 T, 부피 V 에서 온도 T', 부피 V' 로 변하면 T, V, T', V' 사이에는 다음의 관계가 성립합니다.

 

V/T = V'/T'

 

T = 273 + t(℃)

 

즉, 일정한 양의 기체를 일정한 압력을 유지하면서 온도를 내려주거나 올려주면 부피와 (273 + 섭씨온도) 가 비례합니다.

 

섭씨 0도씨의 부피의 2배로 부풀리려면 몇 도까지 가열하여야 할까요?