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안녕하세요~ ‘생활 속 과학이야기연재, 벌써 세 번째 시간이네요. 오늘은 물질의 세 가지 상태 중 하나인 기체에 대해 살펴보려고 합니다. 기체 하면 무엇이 생각나세요? 아무래도 주변의 공기가 제일 먼저 떠오르지 않을까 생각되네요.

 

공기 중에는 질소가 약 78%로 가장 많은 비율을, 우리가 숨쉬는 데 필수적인 산소가 21% 로 대부분을 차지합니다. 나머지 1% 가량은 아르곤, 이산화탄소, 네온 등의 기체가 이루고 있어요. 공기와 마찬가지로 많은 기체들이 무색, 무취의 특성을 가지다 보니 고체와 액체에 비해 현실감 있게 와 닿지가 않지요.


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기체의 특성


기체의 특성을 이해하기 위해서 먼저 대략적인 감을 잡아 보겠습니다. 우리에게 가장 친숙한 물을 예로 들어 볼게요. 물의 고체 상태는 얼음, 기체 상태는 수증기입니다. 냉동실의 얼음을 생각해 보면 같은 양의 물이 고체-액체일 때 부피 차이가 어느 정도 인지는 짐작할 수 있을 거예요. 그럼 물이 기체인 수증기가 된다면 어떨까요? 18g 의 물이 수증기가 되면, 22L 의 부피가 됩니다 (표준상태 기준). 18g 의 물은 작은 야구르트 병의 1/3에도 못 미치는 양이고, 정수기 생수통이 18L 인걸 생각하면 어마어마한 변화죠!

 

고체-액체-기체로 분류되는 물질의 상태는 분자간의 결합에 의해 결정됩니다. 분자간에 가장 단단하게 결합하고 있는 상태가 고체, 결합이 부분적으로 끊어져서 움직일 수 있는 (흐르는) 상태가 액체, 모든 결합이 끊어져서 분자의 운동이 자유로운 상태가 기체입니다. 특히 액체에서 기체가 될 때는 매우 큰 부피 변화를 동반하게 되고, 이것이 기체의 성질에서 아주 중요한 부분입니다.

 

기체는 일정한 모양과 부피를 가지지 않기 때문에 닫힌 공간 안에서 자유롭게 움직이며 확산하여 균일하게 채워지게 됩니다. 압력은 단위 면적당 주어지는 힘으로 정의됩니다. 용기 안에 있는 기체 분자들은 끊임없이 운동하면서 용기 벽에 힘을 가하게 되고, 이것이 기체의 압력입니다. 만약 일정한 크기의 용기 안에 기체가 많이 들어 있다면 용기 벽을 더 많이 때리게 (=더 큰 힘을 주게) 되어 높은 압력 상태가 되는 것입니다



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압력과 관련 있는 기체의 법칙 - 보일의 법칙

이제부터는 기체의 법칙을 살펴보겠습니다. 먼저 보일의 법칙이라고 불리는, 압력과 부피의 상관관계를 나타낸 법칙입니다. 일정한 온도에서 같은 양의 기체라면, 부피와 압력이 반비례하게 됩니다. , 부피가 커지면 압력이 줄어들고 부피가 줄어들면 압력이 커지게 되는 것입니다. 그림을 보면 직관적으로 이해할 수 있는데요, 같은 양의 기체가 더 좁은 공간에서 움직이면 당연히 용기 벽을 더 많이 때리게 되어 압력이 커지겠지요?

 

이것을 공식으로 나타내기 위해 처음 상태의 압력(Pressure)P1, 부피(Volume)V1 이라고 하고 변화한 상태의 압력을 P2, 부피를 V2 라고 하면 P1V1=P2V2 의 관계가 성립합니다. 압력과 부피의 곱이 일정하다는 것으로 이해할 수 있겠습니다.


보일의 법칙을 우리 일상에서 어떻게 느낄 수 있을까요? 앞에서 대기압에 대한 이야기를 했었는데요, 대기권 전체가 누르는 힘을 압력으로 느끼는 것이기 때문에 높은 산 위에 올라가면 산 높이만큼 적은 공기의 힘만 느껴져 낮은 압력 상태가 됩니다. 고도가 높아지면 귀가 먹먹한 이유가 거기에 있어요. 우리 몸 안의 압력보다 몸 밖의 압력이 낮은 상태가 되어 고막이 바깥으로 부풀게 되고, 본래의 진동하는 기능을 잘 하지 못해서 먹먹함을 느끼게 됩니다. 산 위에서 과자봉지가 빵빵하게 부푸는 것도 동일한 현상이고요.


 


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온도와 관련 있는 기체의 법칙 샤를의 법칙


혹시, 보일의 법칙을 얘기할 때 일정한 온도, 같은 양의 기체 라는 전제조건을 보셨나요? 같은 양의 기체로 비교해야 하는 건 당연한 이야기인데, 온도는 왜 일정해야 할까요? 온도 역시 부피에 영향을 미치기 때문입니다. 이것이 바로 샤를의 법칙인데요, 동일한 압력과 같은 양의 기체 조건에서 기체의 부피는 절대온도에 비례합니다. 여기서 자세하게 살펴 보진 않겠지만 절대온도는 우리가 일반적으로 사용하는 섭씨온도에 273을 더한 값을 갖습니다.

 

샤를의 법칙을 간단하게 표현하면 온도가 높아질수록 기체의 부피가 커진다는 것인데요, 높아진 온도는 열에너지로써 분자들의 운동을 활발하게 만들어 같은 양의 기체가 더 큰 부피를 가지게 만드는 것입니다. 처음 상태의 부피 V1, 온도(Temperature) T1, 변화한 부피 V2, 온도 T2 라고 할 때 V1/T1=V2/T2 의 공식이 성립하게 되지요.

 

샤를의 법칙도 주변에서 흔하게 찾아볼 수 있어요. 하절기에는 타이어의 공기를 동절기보다 약간 적게 넣어줍니다. 높은 온도에서는 적은 공기 양으로도 타이어의 부피를 채울 수 있기 때문이지요. 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣어주면 다시 원상복귀 되는 것도, 온도가 높아지며 탁구공 안 기체의 부피가 커지는 것으로 이해할 수 있습니다.


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수증기 압력의 힘으로 움직인 1차 산업혁명

기체의 성질을 이용해서 산업의 발전이 이루어졌다는 사실 역시 빼놓을 수 없습니다. 농경시대에서 산업시대로 넘어가던 시기의 1차 산업혁명을 이끈 것이 증기기관인데요, 증기기관의 원리가 바로 기체의 성질을 이용한 것이랍니다. 물을 끓여서 뜨거운 수증기를 만들고, 이것이 팽창하려는 힘으로 피스톤을 밀어 기계의 구동축을 움직이게 하는 것입니다. 증기기관으로 기계를 만들 수 있어 자동화 시대가 시작되었고, 증기기관차로 기차라는 운송수단을 통해 엄청난 변화를 가져올 수 있었습니다. 수증기의 힘, 정말 대단하지요?

 

항상 우리 주변에 있지만 느끼기 어려웠던 기체, 좀 더 가깝게 느껴지는 계기가 되었을까요? 다음에도 알찬 내용으로 돌아오겠습니다!



 

 

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