▶   온도와 기체 분자의 운동 속도

 
 
 

기체분자들은 쉴새없이 운동하고 있습니다. 운동에는 빠르기가 있습니다. 속도라고 하지요. 같은 시간 동안 더 긴 거리를 이동하면 속도가 빠른 것이고, 같은 거리를 이동하는데 걸린 시간이 짧을수록 빠르게 운동하는 것입니다.

기체 분자들의 운동 속도에 영향을 주는 요인으로 가장 중요한 것은 온도와 기체 분자의 질량입니다. 기체 분자의 질량과 운동 속도 사이의 관계에 대해서는 다음 절에서 알아보도록 하고, 이 절에서는 온도와 기체 분자의 운동 속도에 대해 알아 보도록 하겠습니다.

섭씨 25도에서 수소 기체 1L를 모으면, 그 안에는 30,000,000,000,000,000,000,000 개 정도의 수소 분자들이 들어 있습니다. 그렇다면 이 많은 분자들이 모두 같은 속도로 움직이고 있을까요? 그렇지 않다고 합니다. 분자들의 속도와 수를 도표로 그리면 종 모양의 그래프가 그려집니다.

 

 

이것은 학생 100명의 수학 시험 점수의 분포에 비유할 수 있습니다. 30점을 받은 학생도 있고 90점 받은 학생도 있습니다. 그리고 많은 학생들이 중간 정도의 점수(예를 들어 60점)를 받지요.

 

 

성적이 이렇게 학생마다 다른데 이 학생들 전체의 지난 달 성적과 이번 달 성적을 비교하려고 합니다. 어떻게 하지요? 지난 달의 학생들의 수학 성적의 평균값과 이번 달의 평균값을 비교하면 됩니다.

분자의 운동 속도도 마찬가지입니다. 주어진 온도에서 분자들은 각기 다양한 운동 속도를 가지므로, 운동 속도를 비교하려면 평균값을 비교하면 됩니다. 앞으로 분자의 운동 속도라고 할 때는 이 평균 속도를 의미합니다.

만약, 지난 달보다 이번 달 평균 점수가 올랐다면 어떤 일이 일어났기 때문일까요? 낮은 점수를 받은 학생들의 수가 줄어들고, 높은 점수를 받은 학생들의 수가 늘어났겠지요.

온도가 높아지면 낮은 운동 속도를 갖는 분자들의 수가 감소하고, 높은 에너지를 갖는 분자들의 수가 증가합니다. 그래서 높은 온도에서는 분자들의 평균 운동 속도가 커집니다. 실제 분자들은 아래 영상에서보다 훨씬 빠르게 운동합니다.

 

    scienceorc.net

 

기체에 열을 가하면, 기체의 온도가 올라갑니다. 이때 가해준 열은 기체 분자들에게 에너지를 주고, 그 결과 에너지가 많아진 분자들은 더 활발하게 움직입니다.

우리가 눈으로 분자들이 움직이는 것을 볼 수는 없지만 기체의 온도가 올라가면 분자들이 더 활발하게 움직이는 것을 간접적으로 알 수 있습니다. 반대로 기체의 온도가 내려가면 간접적으로 분자들의 운동이 덜 활발해졌음을 알 수 있습니다.

이렇게 분자들의 운동 상태에 저장된 에너지를 열에너지(thermal energy)라고 합니다. 보통 열(heat)이라고 말하는 것은 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 이동하는 에너지의 한 형태를 말합니다. 가스 불로 물을 데울 때에는 가수에 저장된 에너지가 열의 형태로 물에게 전달됩니다. 열에너지는 분자들이 가지는 운동 에너지를 말하는 것으로서, 물체에 저장된 에너지의 한 형태입니다. 따라서 같은 양의 기체를 비교할 때 온도가 높으면 많은 양의 열에너지를 가지고 있는 것이고(높은 에너지 상태), 온도가 낮으면 적은 양의 열에너지를 가지고 있는 것입니다(낮은 에너지 상태).

 

 

 

  학습 자료실     이전 공부방     다음 공부방