상태의 변화와 에너지 기체

【1】 상태의 변화와 에너지

[1] 물질의 상태

자연 상태에서 물질은 기체, 액체, 고체의 세 가지 상태로 존재한다.

1. 물질 상태의 비교

표 1 고체, 액체, 기체 상태의 비교
상 태	고 체	액 체	기 체
분자간 인력	가장 크다	비교적 크다	가장 작다.
분자간 거리	가장 작다	비교적 크다	가장 크다
운동 에너지	가장 작다	비교적 크다	가장 크다
운동 상태	진동	진동, 병진, 회전	진동, 병진, 회전
분자 배열	규칙적인 배열	불규칙적인 배열	매우 불규칙적인 배열
무질서도	가장 작다	비교적 크다	가장 크다

무질서도(혼란도, 마구잡이도, 엔트로피)란?

불규칙적인 상태를 나타내는 척도

무질서도가 클수록 불규칙적이며 무질서하다.

분자 운동이 활발할수록 크다.

일정한 압력에서 온도가 높을수록 크다.

여러 가지 물질이 섞일수록 크다.

화학 반응에서 분자수가 증가할수록 크다.

물질의 에너지 상태 : 고체 < 액체 < 기체

무질서도 : 고체 < 액체 < 기체

2. 기체 분자의 열 운동 방식

그림 1 이산화탄소 기체 분자의 열운동 방식

고체는 진동 운동만을, 액체와 기체는 진동, 병진, 회전 운동을 다 한다.

3. 물질의 상태 변화와 에너지

그림 2 상태 변화에 따른 에너지 출입 관계

물질의 상태의 변화는 반드시 에너지의 출입이 따르며, 온도의 변화는 분자의 운동 에너지를 변화시킨다.

그림 3 물 1mol(18g)을 가열할 때의 열량과 온도와의 관계

물질을 가열하면 온도가 올라가나 녹는점.끓는점에서는 에너지는 흡수되나 온도의 변화가 일어나지 않는다.

4. 물질의 상태도

온도와 압력의 변화에 따른 물질의 상태를 나타낸 그림

그림 4 상태도의 예와 그 변화

삼중점 : 기체, 액체, 고체가 공존하는 상태에서의 온도와 압력

삼중점 이상의 온도와 압력에서는 승화가 일어나지 않는다.

물질의 상태 변화

분자들의 열 운동 에너지와 분자간의 힘의 상반된 작용력의 크기에 관계한다.

【2】 기체 상태

[1] 보일의 법칙

기체의 부피와 압력과의 관계를 나타낸 법칙

일정한 온도 T에서, 일정량의 기체의 부피 V는 압력 P에 반비례한다.

이를 수식으로 나타내면

그림 5 일정한 온도에서 일정 질량의 기체의 부피와 압력과의 관계

일정한 온도에서 기체의 부피는 작용하는 압력에 반비례 한다.

[2] 샤를의 법칙

기체의 부피와 온도와의 관계를 나타낸 법칙

일정한 압력 P에서, 일정량의 기체의 부피는 절대 온도에 비례한다.

이를 수식으로 나타내면

일정한 압력에서 기체의 부피는 온도가 올라가면 증가하는데 그 이유는 온도가 올라가면 기체 분자의 운동에너지가 증가하여 용기의 벽을 더 강하게 밀어내기 때문이다.

일정한 압력에서 기체의 부피는 온도를 1℃올리거나 내리면 0℃부피의 씩 증가 또는 감소한다.

이를 수식으로 나타내면

만약 라면 이 된다.

이 때의 온도 즉 기체의 부피가 0이 되는 -273℃를 절대 0도라 한다.

그림 6 일정한 압력에서 일정량의 기체의 부피와 온도와의 관계

일정한 압력에서 기체의 부피는 절대 온도에 비례한다.

따라서

[3] 이상 기체 상태 방정식

1. 이상 기체 상태 방정식의 유도

(1) 보일-샤를의 법칙

기체의 부피는 압력에 반비례하고 절대 온도에 비례한다.

(2) 이상 기체 상태 방정식

보일-샤를의 법칙에서

표준 상태에서 1mol의 기체에 대하여 를 구하면

(L.atm/K.mol)

기체 상수 : 기체 1mol에 대한 상수값

(L.atm/K.mol)

따라서 mol에 대한 상수값

식 ②를 식 ①에 대입하면

이상기체 상태 방정식

(3) 이상 기체 상태 방정식으로 분자량 구하기

▷ 기체의 질량, 부피, 분자량, 압력 등 기체에 대한 양적인 관계는 이상 기체 상태 방정식을 이용하면 대부분 해결할 수 있다.

2. 이상 기체와 실제 기체의 비교

기체 분자 운동론(이상 기체)

1. 기체 자체의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 매우 작다.

2. 기체 분자 사이의 인력, 반발력이 없다.

3. 기체 분자는 끊임없이 무질서한 직선 운동을 한다.

4. 기체 분자의 충돌은 완전 탄성 충돌로 에너지의 손실이 없으며, 운동 에너지는 보존된다.

5. 기체 분자의 평균 운동에너지는 절대 온도에 비례하며, 같은 온도에서는 기체의 종류에 관계없이 그 평균 운동 에너지는 같다.

실제 기체

1. 실제 기체는 저온에서는 기체 자체의 부피를 무시할 수 없고, 기체 자체의 부피를 나타낸다.

2. 실제 기체는 기체 분자들 사이에 인력과 반발력이 작용한다.

3. 이상 기체는 절대 0K에서 기체 상태를 유지하며 그 부피는 0이다.

실제 기체는 저온 고압 상태에서 액체로 존재하며, 절대 0K에서는 고체 상대로 존재한다.

3. 실제 기체가 이상 기체에 가까워질 조건

이상 기체와 실제 기체 사이의 차이는 분자간의 인력의 영향과 분자 자체의 크기에 의한 것이다. 따라서 이와 같은 영향을 줄이면 실제 기체와 이상 기체가 가까워질 수 있다.

▷ 기체 분자간의 인력을 줄이기

A. 온도가 높은 상태

기체 분자의 평균 속도가 증가하여 인력의 영향을 줄일 수 있다.

B. 압력이 낮은 상태

기체 분자간의 평균 거리가 커지므로 인력의 영향을 줄일 수 있고, 기체 자체의 부피의 영향을 줄일 수 있다.

C. 분자의 크기(분자량)가 작고, 끓는점이 낮은 기체일수록 이상 기체에 가까워진다.

그림 7 이상기체의 비교

이상 기체는 이다. 즉 값이 1에 가까이 접근하면 그 만큼 이상 기체와 가까워진다. 위의 그림에서는 보는 바와 같이 수소가 이상 기체와 가장 가까운 기체이다.

4. 극저온의 세계

물질이 절대 0도에 가까이 까지 냉각되면 상온에서는 볼 수 없는 현상들이 일어난다. 그 한 예로 헬륨에서 볼 수 있는 초유동 현상이 있다. 헬륨 기체를 냉각시켜 6K 부근에서 액체 상태가 되면, 용기 안의 헬륨은 액체는 마치 살아 있는 것처럼 용기의 벽을 기어올라가서 밖으로 나온다.

0K부근에서는 금속의 전기 저항이 0이 되어 전류가 흐르고 강한 자장이 생기는데, 이러한 현상을 초유동 현상이라고 한다. 이것을 이용하여 시속 500Km로 달릴 수 있는 자기 부상 열차가 등장하였다.