학문

이상 기체 상태 방정식에서 샤를 법칙을 유도하는 과정

기체의 압력이 일정한 상태로 유지될 때, 기체의 부피가 절대온도에 직접적으로 비례한다는 샤를 법칙을 이상 기체 상태 방정식(PV=nRT)을 활용하여 설명하는 법을 가르쳐주세요.

1개의 답변이 있어요!

  • 안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

    PV = nRT에서 부피 V만 남기고 나머지를 오른쪽으로 넘기면 V = (nR/P) × T가 돼요. 닫힌 용기라 기체의 양 n이 변하지 않고, R은 기체 상수라 원래 고정된 값이에요. 여기에 압력 P까지 일정하게 유지하면 괄호 안의 nR/P 전체가 하나의 상수가 돼요. 이 상수를 k라 하면 V = kT, 곧 V/T = 일정이라는 샤를 법칙이 나와요. 처음 상태와 나중 상태를 비교할 때는 V₁/T₁ = V₂/T₂로 쓰면 편해요.

    계산할 때 온도는 반드시 절대온도(K)로 넣어야 해요. 27℃(300K)의 기체를 327℃(600K)로 올리면 부피가 두 배가 되지만, 27℃에서 54℃로 올리는 건 두 배가 아니에요. 섭씨로 그래프를 그리면 원점을 지나지 않고, 선을 연장하면 약 −273℃에서 부피가 0이 되는 지점과 만나요. 이 온도를 0K로 잡은 게 절대온도라서, 켈빈으로 그리면 원점을 지나는 직선이 돼요.

    분자 운동으로 보면 온도가 오를수록 분자가 빨라져서 벽을 더 세게, 더 자주 두드려요. 압력이 일정하려면 피스톤이 밀려나며 부피가 커져야 하고, 공간이 넓어진 만큼 충돌 횟수가 줄어서 원래 압력과 다시 맞춰져요. 부풀린 풍선을 냉장고에 넣으면 쪼그라들고 꺼내면 다시 부푸는 것도 같은 현상이에요 :)

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