물질은 원자와 분자 그리고 이온이 단독으로 또는 결합을 통해 무리를 지어 존재하고, 각 물질은 상태에 따라서 다양한 성질을 나타낸다. 물질의 상태는 온도와 압력에 변하고, 기체, 액체, 고체로 존재하는데 이 글에서는 기체의 특성에 대해 알아보고자 한다. 기체는 물질을 이루는 분자 사이의 거리가 매우 멀어서 자유롭게 운동하는 특성을 가진다. 이 기체를 밀폐된 용기에 담아둔다면 자유롭게 움직이는 분자들이 용기의 벽과 충돌하면서 힘을 가하게 되는데, 이때의 충돌로 인하여 생기는 압력을 기체의 압력이라고 한다. 과학의 역사 속에서 기체의 압력을 측정한 실험으로 유명한 과학자는 토리첼리가 있다. 1643년 토리첼리는 수은을 채운 유리관을 사용하여 대기의 압력을 측정하였다. 이 실험의 결과 1기압의 대기압력은 수은기둥 76cm가 누르는 압력과 같은 크기의 압력임을 알게 되었다. 기체는 유체 즉 흐르는 물질로서의 성질도 있고, 부피와 질량의 개념도 있다. 특히 질량은 기체, 액체, 고체의 상태변화가 일어나도 변하지 않는 일정한 값이다. 그러나 기체의 부피는 기체 분자들이 운동하는 공간을 의미하므로, 담겨 있는 용기가 결정한다. 즉 기체의 부피는 용기의 부피와 같고 같은 질량의 기체여도 담아 놓은 용기에 따라 부피가 변한다. 이러한 기체의 특성에 의해 기체에 관한 법칙이 정리되었는데 기체의 부피와 압력, 온도 사이의 관계를 정리한 보일의 법칙과 샤를의 법칙이다. 먼저 보일의 법칙은 온도가 일정할 때 일정량의 기체의 압력과 부피는 반비례한다는 것이다. 하늘로 날아 올라가는 풍선은 올라갈수록 대기압이 낮아지므로 반대로 부피가 커져서 팽창하는 것을 볼 수 있다. 또는 잠수부가 내뿜는 거품은 수면을 향해 올라갈수록 크기가 커지는데 수압이 낮아지면서 공기의 부피가 커지기 때문에 나타나는 현상으로 설명할 수 있다. 반면 샤를의 법칙은 압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도가 올라갈수록 커진다는 것이다. 예를 들어 바람이 빠진 축구공을 더운물에 담가두면 팽창하여 팽팽해지는 현상을 샤를의 법칙으로 설명할 수 있다. 그러나 샤를의 법칙을 좀 더 자세히 설명한다면 압력이 일정할 때 기체의 부피는 기체의 종류와 관계없이 온도가 1℃ 상승할 때마다 0℃ 때 부피의 1/273씩 증가한다는 것이다. 말을 바꾸면 기체의 부피가 온도가 낮아지면 점점 감소하다가 0이 되는 온도가 이론적으로 존재하는데 이 온도가 –273℃ 즉 섭씨 영하 273도가 되고 이 온도를 절대온도 0K라고 부른다. 여기에서 K는 캘빈이라고 읽고 절대온도를 의미한다. 즉 샤를의 법칙은 기체의 부피가 섭씨온도에 비례한다는 것이 아니라 절대온도에 비례한다고 표현해야 맞는 표현이다. 기체의 특성을 설명하는 법칙에는 아보가드로의 법칙도 있다. 기체의 종류와 관계없이 같은 온도와 압력에서 같은 부피의 기체는 같은 수의 분자를 포함하고 있다는 가설이다. 아보가드로라는 과학자가 주장하였고 이것은 아보가드로의 법칙으로 정리되었는데, 일정한 온도와 압력에서 기체의 부피와 기체의 양은 비례한다는 것이다. 기체의 양은 몰로 표현하는데, 몰 즉 mole은 화학에서 가장 중요한 양적인 개념으로 기체 1몰에는 기체분자가 아보가드로의 수만큼 존재한다고 표현한다.
위에서 언급한 기체에 관한 법칙 즉 보일, 샤를, 아보가드로의 법칙을 정리하여 기체의 부피, 압력, 절대온도, 기체의 양(몰)에 관한 관계를 한 개의 식 속에서 모두 설명할 수 있는 방정식을 만들게 되었는데 이것을 이상기체상태방정식이라고 한다. 여기에서 이상기체란 기체에 관한 법칙을 잘 따르는 가상의 이상적인 기체를 의미한다. 이상기체는 분자 자체의 부피가 없고, 분자 사이의 인력이나 반발력이 작용하지 않으며, 충돌로 인한 에너지손실이 없다는 특성을 보인다. 그러나 실제기체는 기체 사이의 인력과 반발력이라는 힘이 존재하여 기체의 압력이 이론적으로 기대하는 값과 오차가 발생하게 된다. 또 기체분자는 분자 자체의 부피가 매우 작지만 실제로는 크기가 있으므로 기체의 부피가 매우 작아지는 조건에 도달하면 이론적으로 기대하는 부피와 오차가 발생하게 되어 이상기체상태방정식으로 기체의 특성을 잘 설명할 수 없게 되었다. 따라서 실제기체의 성질을 설명할 수 있는 판데르 발스 방정식이 등장하게 되었다. 기체의 성질을 기체의 운동으로 설명하고자 하는 이론도 등장하는데 이것을 기체 분자 운동론이라고 한다. 기체는 끊임없이 불규칙한 직선운동을 하고, 기체 분자 사이에는 인력이나 반발력은 작용하지 않는다. 기체 자체의 크기는 매우 작아 무시하고 기체분자는 완전탄성체로 충돌 후 에너지손실이 없다고 가정한다. 또한 기체 분자의 평균 운동에너지는 절대온도에 비례한다는 이론이다. 이 특성에 비추어 기체의 운동을 설명하는 것이 이상기체상태방정식이라고 말할 수 있다.
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