화학 고3 물질의 세 가지 상태

게이-뤼삭 법칙

일정 부피에서 기체의 압력은 절대 온도에 비례한다(P/T = 상수). 압력솥·자동차 타이어 압력 변화를 설명한다.

부피와 기체의 양이 일정할 때, 기체의 압력은 절대 온도에 비례합니다:

\frac{P}{T} =

일정, 즉

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

부피가 고정된 단단한 통에서는 분자가 도망갈 곳이 없습니다. 데우면 빨라진 분자들이 그대로 벽을 더 세게, 더 자주 때려 압력만 올라갑니다.

쉽게 말하면

샤를 법칙과 원인은 똑같습니다. 온도가 올라가면 분자의 평균 운동 에너지가 커져 벽을 더 세게, 더 자주 때립니다. 다른 것은 '어디를 고정했는가'뿐입니다. 피스톤이 움직여 압력을 일정하게 유지할 수 있으면 부피가 늘어나고(샤를), 통이 단단해 부피가 늘 수 없으면 그 효과가 고스란히 압력으로 나타납니다(게이-뤼삭).

여기서도 $T$ 는 반드시 절대 온도입니다. 압력–온도 그래프의 직선을 왼쪽으로 연장하면 샤를 법칙과 똑같이 $- 27 3^{\circ} C$ 에서 압력이 0이 되는 점을 지납니다. 분자의 운동이 멈추면 벽을 때릴 것이 없으니 압력도 0이 되는 것이고, 이 역시 절대 온도가 왜 필요한지를 보여 줍니다.

보일 법칙·샤를 법칙과 함께 이 법칙은 이상 기체 법칙의 세 단면 중 하나입니다. 실험실이 아니라 생활에서 이 법칙을 만나는 곳은 대부분 '단단히 닫힌 것을 데우는' 상황이고, 대개 위험과 관련되어 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

스프레이 캔에 적힌 '가열 금지' 경고

캔은 부피가 고정된 밀폐 용기입니다. 불 근처에 두거나 차 안에 방치해 온도가 올라가면 안의 압력이 그대로 올라갑니다. 기체가 새로 생긴 것이 아니라, 있던 기체가 더 세게 벽을 때리는 것뿐인데도 캔이 견디는 한계를 넘으면 터집니다.
예시 2

주행 후 타이어 압력이 오르는 것

달리는 동안 마찰로 타이어가 뜨거워지면 안의 공기 온도가 올라가 압력이 함께 올라갑니다. 그래서 타이어 공기압은 차가 식은 상태에서 재라고 합니다 — 뜨거울 때 재고 '너무 높다'며 빼면, 식은 뒤에는 오히려 압력이 모자라게 됩니다.
예시 3

$2 7^{\circ} C$ 에서 2기압인 기체를 $32 7^{\circ} C$ 로 데우면

$P_{2} = P_{1} \times \frac{T _{2}}{T _{1}} = 2 \times \frac{600 K}{300 K} = 4 atm$

절대 온도가 정확히 2배가 되었으므로 압력도 2배입니다. 섭씨로만 보면 27에서 327로 12배 넘게 뛴 것처럼 보이지만, 실제 비율은 절대 온도로만 판단해야 합니다.

자주 하는 오해

압력이 오르는 이유를 '기체가 늘어나서'라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움밀폐 용기를 데우면 기체가 늘어나 압력이 커진다

실제로는밀폐 용기 안의 기체 분자 수는 변하지 않습니다. 압력이 오르는 것은 같은 수의 분자가 더 빠르게, 더 세게 벽을 때리기 때문입니다.

P V = n R T

에서

V

와

n

은 고정이고 변한 것은

T

뿐입니다. '기체의 양이 늘어난다'는 그림을 가지고 있으면, 압력솥이나 타이어에서 기체가 어디서 오는지 설명할 수 없어 곧 막힙니다. 늘어난 것은 개수가 아니라 운동 에너지입니다.

섭씨 온도로 압력 비율을 계산하기

이렇게 생각하기 쉬움

1 0^{\circ} C

에서

2 0^{\circ} C

로 올렸으니 압력이 2배가 된다

실제로는절대 온도로는

283 K \to 293 K

이므로 압력은 약 3.5%만 오릅니다.

압력이 실제로 0이 되는 온도는

0^{\circ} C

가 아니라

- 27 3^{\circ} C

입니다. 0이 진짜 0이 아닌 눈금으로는 '몇 배'를 따질 수 없습니다. 참고로 겨울에 타이어 공기압이 떨어지는 것도 이 몇 %의 변화이지, 절대 배수의 변화가 아닙니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

이상 기체 법칙고3

같은 단원의 개념 — 물질의 세 가지 상태

그레이엄 확산 법칙고3 기체 운동론고3 보일 법칙고3 분산력(런던 힘)고3 분자 간 힘고3 분자간 힘과 끓는점고3 상평형 그림고3 샤를 법칙고3 수소 결합고3 쌍극자-쌍극자 힘고3 아보가드로 법칙고3 이상 기체 법칙고3 증기압과 끓는점고3 혼합 기체와 분압고3

자주 묻는 질문

Q1샤를 법칙과 게이-뤼삭 법칙은 뭐가 다른가요?

고정한 변수가 다릅니다. 샤를은 압력을 고정하고 부피가 변하는 상황(피스톤이 움직이는 통), 게이-뤼삭은 부피를 고정하고 압력이 변하는 상황(단단한 밀폐 용기)입니다. 원인은 똑같이 '온도가 오르면 분자가 빨라진다'입니다.

Q2압력솥은 왜 음식이 빨리 익나요?

밀폐된 상태에서 물이 데워지면 내부 압력이 올라가고, 외부 압력이 높으면 물의 끓는점도 100도보다 높아집니다. 더 뜨거운 물로 익히는 셈이라 조리가 빨라집니다. 압력이 올라간다는 부분이 게이-뤼삭 법칙이고, 그 압력이 끓는점을 올린다는 부분은 증기압 개념입니다.

P

–

T

그래프는 어떤 모양인가요?

가로축이 절대 온도라면 원점을 지나는 직선입니다. 부피가 작을수록(같은 몰수라면) 기울기가 가팔라집니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 물질의 세 가지 상태 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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