화학 고3 물질의 세 가지 상태

샤를 법칙

Q: V–T 그래프에서 직선이 원점을 지나나요?

가로축이 절대 온도(K)라면 원점을 지납니다. 가로축이 섭씨라면 -273에서 가로축과 만나는, 원점을 지나지 않는 직선이 됩니다. 그래프 문제에서 축의 단위를 먼저 확인하세요.

일정 압력에서 기체의 부피는 절대 온도에 비례한다(V/T = 상수). 0 K에서 부피가 0이 되는 절대 영도 개념으로 이어진다.

압력과 기체의 양이 일정할 때, 기체의 부피는 절대 온도에 비례합니다:

\frac{V}{T} =

일정, 즉

\frac{V _{1}}{T _{1}} = \frac{V _{2}}{T _{2}}

온도를 올리면 분자가 더 빠르게, 더 세게 벽을 때립니다. 압력을 원래대로 유지하려면 벽이 뒤로 물러나 부피가 늘어나는 수밖에 없습니다.

쉽게 말하면

'온도를 올리면 부피가 는다'는 결과는 익숙하지만, 왜 그런지는 압력을 일정하게 유지한다는 조건에서 나옵니다. 온도가 올라가면 분자의 평균 운동 에너지가 커져 벽을 더 빠르고 세게 때립니다. 그대로 두면 압력이 올라갈 텐데, 피스톤이 자유롭게 움직여 압력을 바깥과 같게 유지한다면 부피가 늘어나면서 충돌 빈도가 낮아져 압력이 원래대로 돌아옵니다. 그 균형점이 $V \propto T$ 입니다.

여기서 $T$ 는 반드시 절대 온도(K)입니다. 이 점이 샤를 법칙에서 가장 중요합니다. 여러 기체의 부피–온도 그래프를 그려 직선을 왼쪽으로 연장하면, 기체의 종류와 상관없이 모두 한 점 $- 27 3^{\circ} C$ 에서 부피가 0이 되는 곳을 지납니다. 이 지점을 온도의 진짜 바닥으로 삼은 것이 절대 온도이고, 그래서 $T (K) = t (^{\circ} C) + 273$ 입니다.

물론 실제 기체는 그전에 액화되어 버리므로 부피가 진짜로 0이 되지는 않습니다. 절대 영도는 직선을 연장해서 얻은 '외삽'이며, 그렇기 때문에 오히려 기체의 종류와 무관한 보편적인 온도 기준이 될 수 있었습니다.

보일 법칙이 온도를 고정하고 압력과 부피를 다뤘다면, 샤를 법칙은 압력을 고정하고 온도와 부피를 다룹니다. 세 변수 중 하나씩 고정한 이 단면들을 모두 합치면 이상 기체 법칙이 됩니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면

안의 공기가 데워져 부피가 늘면서 찌그러진 부분을 밀어 폅니다. 공기가 새로 들어간 것이 아니라, 원래 있던 공기가 팽창한 것입니다.
예시 2

열기구가 뜨는 이유

공기를 데우면 부피가 늘어나는데 기구 안의 공간은 정해져 있으므로, 넘치는 공기가 아래로 빠져나갑니다. 결과적으로 기구 안 공기의 밀도가 주변보다 작아져 부력을 받아 떠오릅니다. 부피 증가가 밀도 감소로 이어지는 것이 핵심입니다.
예시 3

$2 7^{\circ} C$ 의 기체를 $12 7^{\circ} C$ 로 데우면

$\frac{V _{2}}{V _{1}} = \frac{T _{2}}{T _{1}} = \frac{400 K}{300 K} \approx 1.33$

섭씨로는 온도가 4배가 넘게 뛰었지만, 절대 온도로는 300 K에서 400 K이므로 부피는 약 33%만 늘어납니다. 섭씨 눈금으로 비율을 따지면 완전히 틀린 답이 나옵니다.

자주 하는 오해

섭씨 온도로 비례 계산하기

이렇게 생각하기 쉬움

2 0^{\circ} C

를

4 0^{\circ} C

로 올렸으니 온도가 2배 → 부피도 2배

실제로는절대 온도로

293 K \to 313 K

이므로 부피는 약 7%만 늘어납니다.

섭씨 0도는 '온도가 없는 상태'가 아니라 그냥 물이 어는 점에 붙인 이름입니다. 0이 진짜 0이 아닌 눈금으로는 배수를 따질 수 없습니다. 부피가 실제로 0으로 향하는 지점(

- 27 3^{\circ} C

)을 0으로 삼아야 비례 관계가 성립합니다 — 절대 온도가 존재하는 이유가 바로 이것입니다.

온도가 오르면 분자가 커진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움열을 받아 분자가 팽창해서 기체의 부피가 늘어난다

실제로는분자의 크기는 변하지 않습니다. 분자가 더 빠르게 움직여 더 넓은 공간을 필요로 하는 것입니다.

온도가 올라가면 커지는 것은 분자의 크기가 아니라 평균 운동 에너지, 즉 속력입니다. 빨라진 분자가 벽을 더 세게 때리므로, 압력을 그대로 유지하려면 벽이 물러나 부피가 늘어야 합니다. '분자가 부푼다'는 그림을 갖고 있으면 왜 압력을 고정했을 때만 이 법칙이 성립하는지를 설명할 수 없습니다.