이상 기체 상태 방정식을 이용할 때 압력과 온도가 매우 높은 상황에서는 왜 실제 기체와 차이가 나나요?

Question

안녕하세요. PV = nRT의 이상 기체 상태 방정식을 이용할 때 압력과 온도가 매우 높은 고온고압의 상황에서는 왜 실제 기체와 차이가 나는 거동을 보이는 것인가요?

Answer 1

이상기체 상태방정식 'PV=nRT'는 기체 분자들이 부피를 갖지 않고, 분자 간 인력이 없다는 이상적인 가정을 전제로 만들어진 식인데요, 따라서 보통 온도와 압력이 극단적이지 않은 조건에서는 실제 기체와 큰 차이가 없지만, 압력과 온도가 매우 높은 경우에는 실제기차와 차이가 발생합니다.

우선 압력이 높아지면 기체 분자들이 서로 가까워지는데요 이상 기체는 분자의 자체 부피가 무시 가능하다고 가정하지만, 실제로는 분자가 차지하는 부피가 무시할 수 없게 됩니다. 또한 가까워진 분자들은 서로 반발력과 약한 인력을 경험하게 되는데요, 특히 인력이 무시되지 않으면, 기체가 이상 기체 방정식이 예측하는 압력보다 낮거나 부피가 작게 나타납니다. 결과적으로 고압에서는 실제 기체의 부피가 이상 기체 방정식이 예상한 값보다 작거나, 압력 계산이 달라집니다.

다음으로 온도가 높아지면 분자들의 운동 속도가 매우 커지는데요, 이상 기체 방정식은 운동 에너지가 완전히 이상적이라고 가정하지만, 실제 분자 간 충돌은 비탄성적이어서 일부 에너지가 상쇄됩니다. 또한 고온에서는 일부 기체 분자가 분해, 결합, 반응할 수 있는데요, 이런 현상도 이상 기체와 실제 기체 사이의 차이를 유발합니다. 감사합니다.