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▶ 기체의 온도와 부피 |
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먼저 기체의 온도가 변하면 부피가 어떻게 변하는지 관찰해 봅시다.
뜨거운 물을 부으면 풍선이 커지고, 찬 물을 부으면 풍선이 작아집니다.
즉, 기체의 온도가 올라가면 부피가 커지고, 온도가 내려가면 부피가 작아집니다. 왜 그런지 차근차근 알아봅시다. 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 압력보다 안쪽에서 작용하는 압력이 더 커서 풍선 벽을 바깥으로 밀어내기 때문입니다.
가열하는 동안 풍선 벽 바깥에서 작용하는 압력은 대기압(약 1기압)으로 똑같았습니다. 그런데 가열하는 동안 풍선의 부피가 커진 이유는 풍선 안쪽의 압력이 대기압보다 커졌기 때문입니다. 기체를 가열하면 부피가 증가하는 것을 다음 두 사건이 연이어 일어났다고 생각할 수 있습니다. (1) 부피가 변하지 않은 상태에서 기체의 압력이 증가하고
차가운 물을 부어 기체를 냉각할 때에는 반대로 풍선 안쪽 압력이 바깥 압력보다 작아집니다. 따라서 안쪽 압력과 바깥쪽 압력이 같아지도록 부피가 작아집니다. 그렇다면 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 큽니다. 기체의 온도가 올라가면 기체 분자들이 가지는 에너지가 많아집니다. 따라서 더 빠른 속도로 운동하지요. 분자들이 빠르게 운동하면 한번 충돌 할 때 벽에 전달하는 힘이 커집니다. 부피가 일정하다면 분자들이 빠르게 운동할수록 용기 벽에 자주 부딪혀 충돌 빈도도 커집니다. 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 일정할 때 기체의 온도가 증가하면 부피가 증가합니다.
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기체의 온도와 부피
관계 정량적으로 살펴보기
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