기체 운동론
쉽게 말하면
온도가 무엇인지, 압력이 무엇인지는 온도계와 압력계로 잴 수 있습니다. 하지만 '왜' 그런 값이 나오는지는 눈금이 답해 주지 않습니다. 기체 운동론은 이 눈금 뒤에 숨은 분자의 세계를 보여 줍니다. 화학에서 다루는 기체 운동론과 같은 그림이며, 이상 기체 법칙의 가 왜 성립하는지를 설명해 주는 뿌리이기도 합니다.
압력은 분자가 벽에 충돌하며 주는 충격량의 총합입니다. 분자가 빠를수록(온도가 높을수록) 한 번의 충돌이 세고 충돌 횟수도 잦아지므로 압력이 커집니다. 부피를 줄이면 벽까지 가는 거리가 짧아져 같은 시간에 더 자주 부딪히므로 역시 압력이 커집니다 — 보일 법칙이 분자 그림에서 저절로 나옵니다.
온도는 분자 하나의 평균 병진 운동 에너지에 정확히 비례합니다.
는 볼츠만 상수이고 는 반드시 절대 온도(켈빈)입니다. 이 식이 말하는 바는 강렬합니다 — 온도는 '뜨거운 정도'라는 느낌이 아니라, 분자가 얼마나 격렬하게 움직이는가의 다른 이름입니다. 절대 0도가 더 내려갈 수 없는 이유도 여기서 나옵니다. 운동 에너지는 음수가 될 수 없기 때문입니다.
분자가 쉴 새 없이 사방으로 튄다는 이 그림은 화학의 충돌 이론, 생명과학의 확산과 삼투로 그대로 이어집니다. 향수 냄새가 방을 채우는 것도, 세포막을 건너 물이 이동하는 것도 결국 분자의 이 무질서한 열운동 때문입니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1같은 온도라면 가벼운 분자가 더 빠르다온도가 같으면 평균 운동 에너지가 같습니다. 그런데 에너지에는 질량이 곱해져 있으므로, 질량이 작은 분자일수록 평균 속력이 커야 합니다. 같은 온도의 공기 속에서 수소 분자가 산소 분자보다 훨씬 빠르게 날아다니는 이유입니다.
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예시 2부피를 절반으로 줄이면 압력이 두 배분자의 속력(=온도)은 그대로인데 벽까지 왕복하는 거리가 절반이 되면, 같은 시간에 벽을 때리는 횟수가 두 배가 됩니다. 충돌 한 번의 세기는 그대로이고 횟수만 두 배이므로 압력도 두 배입니다.
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예시 3타이어에 바람을 넣으면 왜 뜨거워질까펌프가 공기를 밀어 넣을 때 움직이는 피스톤이 분자를 때려서 분자의 속력을 키웁니다. 빨라진 분자 = 높아진 온도입니다. 열을 준 적이 없는데도 뜨거워지는 것은, 압축이라는 '일'이 분자의 운동 에너지로 직행했기 때문입니다.
자주 하는 오해
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요
같은 단원의 개념 — 열과 에너지
자주 묻는 질문
Q1이상 기체라는 가정은 정확히 무엇을 무시하는 건가요?
Q2분자 하나의 온도를 말할 수 있나요?
Q3절대 0도에서는 분자가 완전히 멈추나요?
분자의 운동 에너지가 곧 내부 에너지라는 것을 알았으니, 열과 일이 그 에너지를 어떻게 바꾸는지 열역학 제1법칙에서 확인해 보세요.
전체 연결 구조가 궁금하다면
초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.
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