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실제 기체는 소위 이상 기체 법칙의 거동에서 벗어난 기체입니다. 이상기체는 어떤 법칙을 따르는 거동을 하는 이론적인 기체입니다.
이상 기체 법칙
이상 기체의 거동을 지배하는 법칙은 다음과 같습니다.
PV = nRT
어디:
P = 압력
V = 볼륨
n = 기체의 몰수
R = 기체 상수
T = 절대 온도
이상 기체 법칙은 화학적 정체성에 관계없이 모든 이상 기체에 적용됩니다. 그런데 이 상태 방정식인 이 방정식은 특정한 조건만을 적용한다. 입자가 부피가 없는 완벽한 탄성 충돌로 참여하고 충돌할 때를 제외하고는 서로 상호 작용하지 않는다고 가정합니다. 즉, 기체는 기체의 운동 분자 이론에 따라 거동합니다.
실제 기체와 이상 기체의 유사점
- 실제 기체와 이상 기체 모두 질량이 있습니다.
- 기체는 액체나 고체보다 밀도가 훨씬 낮습니다. 실제와 이상적인 가스 입자는 서로 매우 멀리 떨어져 있습니다.
- 매우 희박하기 때문에 가스 입자의 크기와 부피는 입자 사이의 거리에 비해 매우 작습니다.
- 두 가스의 입자는 운동 에너지를 가지고 있습니다. 가스 입자는 무작위로 움직이지만 충돌 사이에는 거의 직선으로 움직입니다.
실제 가스의 거동
실제 기체는 분자간 상호 작용으로 인해 이상 기체처럼 행동하지 않는 기체입니다. 이상 기체 법칙은 기체가 충돌을 경험하는 점 질량으로 구성되어 있다는 가정을 기반으로 합니다. 이러한 방식으로 실제 가스는 저온 또는 고압에서 이러한 가정에서 벗어납니다.
- 압력이 증가함에 따라 가스의 부피는 0에 가까워집니다. 즉, 감소합니다. 특정 공간을 차지하는 분자가 여전히 있기 때문에 0에 도달하지 않습니다.
- 가스 사이에 존재하는 분자간 힘은 온도가 낮아질수록 더 커지는데, 이는 분자 운동이 멈출 때까지 느려지기 때문입니다.
따라서 이러한 조건을 수정하면 실제 기체는 두 가지 조건에서 이상 기체처럼 거동할 수 있습니다.
- 저압: 많은 가스는 저압에 있습니다.
- 상승된 온도: 가스에서 상승된 온도는 기화 온도를 초과하는 온도로 간주됩니다. 따라서 상온에서도 실제 기체에 이상 기체처럼 작용하도록 하는 운동 에너지를 주기에 충분합니다.
실제 기체 방정식
이상 기체는 일반적으로 방정식 PV = nRT를 따릅니다. 여기서 P는 대기압, V는 리터 단위의 부피, n은 몰수, R은 0.082 L로 SI 단위로 표현되는 이상 기체 상수입니다. atm/mol K 및 T는 켈빈 온도로 측정된 온도입니다.
실제 기체의 경우 압력에 대한 상수를 더하고 부피에 대한 다른 상수를 빼서 두 가지 변화를 도입해야 합니다. 새로운 방정식은 다음과 같습니다.
(P + an 2 )(V-nb) = nRT
여기서 “a”는 주어진 가스 분자 사이의 인력 상수이고 “b”는 용기 내부의 분자 부피입니다. 또한 “a”와 “b”는 해당 가스의 단일 몰에 대한 값이기 때문에 추가 “n”(몰)이 주어진 위의 방정식에서 주목해야 합니다.
그렇기 때문에 정확한 값을 얻으려면 상수 값에 총 몰 수를 곱해야 합니다. 또한 각 가스마다 특성이 다르기 때문에 상수의 값이 가스마다 다릅니다.
실제 가스 방정식은 Van der Waals 방정식이라고 합니다. 여기서 중요한 것은 다행스럽게도 쉽게 사용할 수 있고 검색할 수 있는 상수 “a”와 “b”의 값도 알아야 한다는 것입니다.
출처
Helmenstine, A. (2021). 실제 기체 대 이상 기체. https://sciencenotes.org/real-gas-vs-ideal-gas/ 에서 2022년 2월 14일에 검색함
리얼가스. (2013). https://cutt.ly/onsPSqr 에서 2021년 5월 30일에 검색함
