통합과학 중1 기체의 성질

기체의 성질(중)

보일 법칙·샤를 법칙을 이용하여 기체의 압력·부피·온도 관계를 정량적으로 이해한다.

온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피는 반비례하고(보일 법칙), 압력이 일정할 때 온도를 올리면 부피가 늘어난다(샤를 법칙)는 두 법칙으로 기체의 압력·부피·온도 관계를 설명합니다.

기체의 압력은 눈에 보이지 않는 수많은 입자가 벽을 두드리는 '노크 소리'입니다. 방을 좁히면 같은 수의 입자가 벽을 더 자주 두드리고, 방을 데우면 입자가 더 세게 두드립니다.

쉽게 말하면

기체의 성질(초)에서 기체가 공간을 가득 채우고 눌리면 부피가 준다는 것을 보았습니다. 이제 그 이유를 입자로 설명할 차례입니다.

기체 입자는 사방으로 쉬지 않고 날아다니며 그릇의 벽에 부딪힙니다. 이 충돌이 벽을 미는 힘, 곧 압력입니다. 그래서 압력을 키우는 방법은 두 가지뿐입니다. 벽을 더 자주 두드리게 하거나, 더 세게 두드리게 하는 것입니다.

부피를 절반으로 줄이면 입자 수는 그대로인데 공간만 좁아지므로 벽에 부딪히는 횟수가 두 배가 됩니다. 그래서 압력이 두 배가 됩니다. 이것이 보일 법칙이고, 압력과 부피를 곱한 값이 일정하다는 뜻입니다.

온도를 올리면 입자가 더 빠르게 움직여 벽을 더 세게, 더 자주 두드립니다. 이때 압력을 그대로 유지하려면 그릇이 부풀어 부피가 늘어나야 합니다. 이것이 샤를 법칙입니다. 온도가 1 ℃ 오를 때마다 0 ℃일 때 부피의 약 $\frac{1}{273}$ 씩 늘어납니다.

예시 1

높은 산에 올라간 과자 봉지

산 위는 공기가 얇아 봉지를 누르는 바깥 압력이 작습니다. 그러면 봉지 안 기체가 부풀어 봉지가 빵빵해집니다. 안에 든 기체의 양이 늘어난 것이 아니라, 밖에서 누르는 힘이 약해진 것입니다. 보일 법칙입니다.
예시 2

찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 담그면

안에 든 기체 입자가 빨라져 벽을 더 세게 밀기 때문에 찌그러진 곳이 펴집니다. 기체가 새로 들어간 것이 아니라, 있던 기체가 더 넓게 퍼진 것입니다. 샤를 법칙입니다.
예시 3

잠수부가 내뿜은 공기 방울

물속 깊은 곳에서는 수압이 커서 방울이 작습니다. 방울이 수면으로 올라올수록 누르는 물의 압력이 줄어들어 점점 커집니다. 같은 양의 공기인데 부피만 달라지는 것입니다.

기체 문제를 푸는 순서

1무엇이 일정하게 유지되는지 먼저 찾습니다. 온도가 일정하면 보일 법칙, 압력이 일정하면 샤를 법칙입니다.
2보일 법칙이면 '압력 × 부피'가 처음과 나중에 같다고 놓습니다. 압력이 2배가 되면 부피는 절반입니다.
3샤를 법칙이면 온도가 올라간 만큼 부피가 늘어난다고 놓습니다. 이때 온도는 섭씨온도가 아니라 -273 ℃를 0으로 하는 절대 온도로 재야 합니다.
4기체의 양(입자 수)은 문제에서 새어 나가거나 더 넣는다는 말이 없으면 항상 그대로입니다.

기체를 압축하면 입자 자체가 찌그러진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움주사기를 누르면 안에 있는 기체 입자가 눌려서 작아진다

실제로는입자의 크기와 개수는 그대로이고, 입자와 입자 사이의 빈 공간이 줄어든 것입니다.

기체가 잘 압축되는 이유는 입자가 물렁해서가 아니라 입자 사이가 텅 비어 있기 때문입니다. 그래서 입자 사이에 빈틈이 거의 없는 액체나 고체는 아무리 눌러도 부피가 거의 줄지 않습니다.

온도를 2배로 올리면 부피도 2배가 된다고 섭씨온도로 계산하기

이렇게 생각하기 쉬움20 ℃를 40 ℃로 올렸으니 온도가 2배가 되어 부피도 2배가 된다

실제로는섭씨온도의 0 ℃는 '기체가 사라지는 지점'이 아니라 물이 어는 온도일 뿐입니다. 부피가 온도에 비례한다고 말할 때의 온도는 -273 ℃를 0으로 삼는 절대 온도입니다.

0 ℃의 기체도 부피가 0이 아닙니다. 만약 섭씨온도에 비례한다면 0 ℃에서 부피가 0이 되어야 하는데 그렇지 않지요. 기체의 부피는 온도를 내릴수록 줄어들다가 약 -273 ℃에서 0이 될 것으로 예상되고, 바로 그 지점을 0으로 삼아야 '비례'가 성립합니다.

Q1액체와 고체도 보일 법칙을 따르나요?

거의 따르지 않습니다. 액체와 고체는 입자가 이미 서로 맞닿아 있어 눌러도 줄어들 빈 공간이 없습니다. 그래서 물이 든 주사기는 입구를 막고 아무리 눌러도 잘 눌리지 않습니다.

Q2기체의 압력은 왜 모든 방향으로 똑같이 작용하나요?

기체 입자는 특정한 방향 없이 무질서하게 사방으로 날아다닙니다. 그래서 위·아래·옆 어느 벽이든 부딪히는 정도가 비슷합니다. 풍선이 한쪽만 삐죽 튀어나오지 않고 둥글게 부푸는 이유입니다.

Q3헬륨 풍선이 하늘 높이 올라가면 왜 터지나요?

위로 올라갈수록 바깥 공기의 압력이 작아져 풍선 속 기체가 계속 부풀기 때문입니다. 고무가 버틸 수 있는 한계를 넘으면 터집니다. 안에서 기체가 늘어난 것이 아니라 밖에서 눌러 주던 힘이 사라진 것입니다.

교육과정 2022 개정 · 중1 통합과학 · 기체의 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

기체가 입자로 이루어져 있다는 생각을 더 밀고 나가면 '그 입자는 무엇으로 되어 있는가'라는 질문에 닿습니다. 물질의 구성으로 이어서 보세요.

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.