중1: 4. 기체의 성질

화학(chemistry)은 매우 작은 세계를 연구하는 학문입니다. 이 학문은 실제 보거나 만질 수 없는 아주 작은 세계를 다룹니다. 따라서 많은 부분이 상상에 의해서 이론이 만들어집니다. 구체화된 가설을 모형(model)이라고 합니다.

모형은 실제 하진 않지만 실제 세상을 대변합니다. 모형은 모든 현상을 완벽히 설명 할 수 있어야 합니다. 만약 반박할 수 있거나 더 잘 설명할 수 있는 모형이 제시된다면 늘 그렇듯이 대체될 것입니다. 입자 모형(모델)은 지금까지 모든 현상을 훌륭하게 설명했지만, 새로운 발견이 추가 될 때마다 계속 수정 보안되어왔습니다. 우리는 앞으로 새로운 현상을 목격할 것이고, 완벽하게 해석할 것이며, 더 나은 모형을 제시할 것입니다.

증발과 확산

입자 "particle.svg", iseohyun.com, CC-BY-SA 4.0

과거 사람들은 빈 공간에 아무것도 없다고 생각했습니다. 보이지 않고 만져지지도 않습니다. 그러면 우리가 어떻게 바람을 불어 물체를 넘어뜨릴 수 있을까요?(기체(gas) 발사 실험) 무언가 넘어갔다면, 무언가 밀었다고 생각하는 것이 상식적입니다. 보이지는 않지만, 우리가 볼 수 없을 만큼 작다면 말이 됩니다. 우리는 이 작은 것들을 입자(particle)라고 부릅니다.

이 입자는 액체(liquid)가 증발(evaporation) 될 때도 생성됩니다. 향수나 방귀 실험으로 냄새가 널리 퍼져나가는 경험을 통해서 알 수 있습니다. 이 입자들이 한 군데 머무르지 않고 넓게 퍼지는 현상을 확산(diffusion)이라고 부릅니다.

질량

공기의 무게 "weight of gas.svg", @iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

입자가 실제로 존재한다면, 무게도 있을 것입니다. 풍선의 부피(volume)가 커져도 무게가 늘어나지 않는 것은 풍선의 누르는 입자의 갯수(무게)가 변하지 않았기 때문입니다. 부피가 한정된 튜브나 유리병을 있는 힘 껏 불어서 무게를 제보면 1 ~ 2g이 증가 한 것을 알 수 있습니다. 입자는 존재하고, 무게를 가지고 있습니다.

- 빈 풍선과 가득찬 풍선의 무게는 왜 같을까?
풍선 안에도 입자가 있고, 풍선 밖에도 입자가 있다. 저울이 기록한 무게는 결국 같은 공간에 있는 같은 물질의 무게이다. 팔을 벌리고 몸무게를 젠 것과 팔을 내리고 몸무게를 젠 것이 같은 이치이다. 이 실험을 통해, 입자는 모든 공간에 고르게 퍼져 있음을 알 수 있다.

공기의 무게

공기 성분 분석 "Atmosphere gas proportions.svg", Mysid, en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth, Public Domain

공기 1cm³에는 약 2.5 x 10¹⁹개의 입자가 들어있습니다 아보가드로 수는 1몰(mol)에 들어있는 원자 수를 의미합니다. 아보가드로 수: Avogadro constant, NIST . 이상기체 방정식에 의하면 0℃ 1기압에서 1mol이 차지하는 부피는 22.4l이다. 이상 기체 방정식, 위키피디아 \[1(atm) = {{8.31442 \times 293.15(K)} \over {V(m^3)}}\] 1기압 공기에 입자가 질소 78%와 산소 22%들어있으므로(그림 참조), 1리터의 공기의 무게는 대략 1.2g이 된다. (보급된 주택 일반적인 안방(4m x 4m x 2.3m)에 채워진 공기의 무게는 대략 44.2kg이다.)

항목	기호	값	단위	비고
기압	P		Pa(파스칼)	=1.01325 x10⁵
부피	V	1	m³
이상 기체 상수	R	8.314325	N · m / mol · K
온도(섭씨)	K		K(켈빈)	절대 온도
입자수	n		n = P x V / R x K	mol(몰)

성분	원자무게 (g/mol)	분자무게 (g/입자)	대기량
산소	16	32	22%
질소	14	28	78%
합계			100%

공기의 무게
1리터 우유팩	g
지름 21cm 축구공	g
4m x 4m 방(층고 2.3m)	kg

감압실험

감압(decompression) 실험을 통해 공기중에 떠다니는 입자가 줄어들면, 밖에서 안으로 누르는 힘이 약해져서 부풀어 오르는 것을 볼 수 있습니다. 또한 그 힘이 모든 방향으로 봉투를 밀어내고 있다는 사실을 알 수 있습니다. 이렇게 입자가 밀어내는 힘을 압력(pressure)이라고 부릅니다.

감압으로 인한 부피 증가 "presure.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

이 실험으로 알 수 있는 것은 모든 잠겨있는 물체는 둘러쌓인 물체로부터 기본적인 압력을 받고 있다는 사실입니다. 그것이 공기라면 기압(atmospheric/air pressure, 대기압/공기압), 물이라면 수압(water pressure)이라고 합니다.

만약 음압(negative pressure)에 노출된다면? 음압(신체 외부보다 내부가 더 높은 상태)
보일의 법칙에 의해 1㎠당 1.03kg의 외부로의 압력을 받습니다.
외부로 압력이 생물의 피부 인장강도에 의해 버텨지면서 부풀어오르지 않을 것입니다. "우주에서 우주복을 벗으면 우리 몸은 얼마나 버틸 수 있을까?", 스피드1분, 네이버포스트, 2019.2.12 실제 사례에서 외형의 두드러진 변화가 없었습니다. 우주 공간에 맨몸으로 나가면 터져 죽는다?, 나무위키, 2023.12

- 빨때 잠수부 실험
부피를 줄인다. 물병 압력이 높아진다. 빨대의 부피가 줄어든다. 빨대의 부력이 낮아진다. 부력-중력 싸움에서 중력이 이긴다. 가라앉는다.

압력과 부피, 온도

부피와 압력

기압과 부피변화(보일의 법칙) "graph_pressure_vs_volume.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

부피를 강제로 늘리면 압력이 줄어듭니다. 입자의 출입이 없는 상태라면 폐쇄된 공간에서의 입자의 숫자는 동일할 것입니다. [그림. 부피와 압력관계]는 중력으로 누르는 힘과 기압으로 들어올리는 힘의 평형 관계를 보여줍니다.

부피와 압력관계 "volumnNpressure.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

보일의 법칙(Boyle's law)은 입자의 수가 일정할 때, 부피와 압력이 서로 반비례하다는 법칙입니다.

\[ p ∝ {1 \over v} \]

온도와 압력

온도와 압력 관계 "graph_pressure_vs_temperature.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

밀폐된 공간에서 입자를 넣고, 가열하면 부피가 늘어납니다. 부피가 늘어난 이유는, 내부의 압력이 외부의 압력보다 강하게 밖으로 밀어냈다는 의미일 것입니다. 이는 온도가 올라갔을 때, 내부의 입자들이 더 많이 더 세게 부딪혔다는 (더 많이 밀어냈다는) 의미가 됩니다.

샤를의 법칙(Charles's law)은 입자의 수가 일정할 때, 온도가 올라갈수록 부피가 증가한다는 법칙입니다. 이 때, 온도는 절대온도이며, 상대온도(섭씨: 물이 얼 때(0℃) ~ 물이 끓을 때(100℃))기준으로 -273.15℃가 0K(Kelvin, 켈빈)이 됩니다.

온도를 올렸을 때 드라마틱하게 부피가 증가하지 않는 이유는, 상온(Room-temperature(=실온), 평상시 온도) 20℃(가정)에서 100℃까지 증가 시켰을 때, 부피비가 25% 증가하지만, 길이로는 7.9% 증가하기 때문입니다. 예를들어, 10cm 풍선의 내부가 100℃가 되었을 때 고작 8mm 증가합니다.
만약 전자레인지 등으로 용기나 봉투가 과도하게 부풀어 오르는 실험을 진행하였다면, 액체가 증발하여 새로운 기체가 생성되는 잘못된 실험을 진행했기 때문입니다.

\[ 293 : 373 ≒ 1 : 1.255892 \] \[ 1.255892 ≒ 1.07890729^3\]

단어

영단어
No	영어	국어
1	chemistry	화학
2	model	모형
3	particle	입자
4	evaporate	증발시키다
5	liquid	액체
6	gas	기체
7	solid	고체
8	diffusion	확산
9	volume	부피
10	decompression	감압
11	pressure	압력
12	atmospheric pressure	기압/대기압
13	air pressure	공기압
14	water pressure	수압
15	hydraulic	유압, 유체역학
16	Boyle's law	보일의 법칙
17	Charles's law	샤를의 법칙
18	Kelvin	켈빈(절대온도)
19	Room temperature	실온, 상온

Quiz

현상을 설명하기 위해 도입된 가설 체계를 또는 이라고 합니다.
기체 발사 실험을 통해 기체 속에 물체와 부딪히는 의 존재를 가정 할 수 있습니다.
입자는 을 가지고 있습니다.
은 압력을 감소시키는 것을 의미합니다.
상자 안의 봉지나 풍선의 부피는 (, )합니다.
의 법칙은 부피와 압력의 관계를 설명합니다.
이 법칙에 따르면 입자의 수가 일정할 때, 부피와 압력은(, )합니다.
온도가 올라갈 때, 부풀어오르는 현상을 설명하려면, 입자가 더 (, ) 움직인다고 추론 할 수 있습니다.
의 법칙은 부피와 온도의 관계를 설명합니다.
이 법칙에 따르면 입자의 수가 일정할 때, 부피와 압력은(, )합니다.
란 물질의 특이성에 의존하지 않는 온도입니다.
온도는 물의 상태변화에 의존하여(얼때, 증발할 때) 측정한 온도입니다.