6. 기체
김 재 건 교수
목차
개 요
6.1 압력의 단위 6.2 Boyle의 법칙 6.3 Charles의 법칙
6.4 Boyle-Charles의 법칙 6.5 기체 상태방정식
6.6 기체분자 운동론 6.7 Dalton의 분압법칙
6.8 기체의 확산에 관한 Graham의 법칙
연습문제
기본내용
• 기체
- 상온과 상압에서 전적으로 가스상태인 물질
- 크던 작던 얼마 만큼의 공간을 차지하기 위하여 일정하고도 빠른 속도로 팽창함 ※ 액체 or 고체 보다 단위질량당 큰 부피를 차지 → 훨씬 가벼움
- 물리적인 성질 : 온도 외압에 따라서 팽창 or 수축 됨
※ 기체를 다룸 or 거동을 논할 경우 : 항상 온도 압력 부피와의 관계 확인 - 냉각 or 압력 증가 시 기체 → 액체로 응축
4.1 압력의 단위
6.1 압력의 단위
4.1 압력의 단위
6.1 압력의 단위
4.1 압력의 단위
6.2 Boyle의 법칙
4.2 Boyle의 법칙
• 보일의 법칙 (Boyle’s law)
- 1662년) 영국의 R. Boyle에 의해 처음 알려짐
- 온도가 일정할 때 압력을 2배로 증가 시킴 → 기체부피 : 1/2 압력을 3배로 증가 시킴 → 기체부피 : 1/3
☞ “온도가 일정할 때 일정 질량의 기체가 차지하는 부피는 가해준 압력에 반비례 한다”
= k는 상수, P가 크면 V는 작아짐 → V는 P에 반비례
= 일정량의 기체의 처음 조건 : P, V 마지막 조건 : P1, V1 → ∴ PV = P1V1
= 기체의 압력이 증가 → 그 부피는 반비례하여 감소 = 압력과 부피를 곱한 값 → 압력에 관계없이 항상 일정
6.3 Charles의 법칙
4.3 Charles의 법칙
6.3 Charles의 법칙
4.3 Charles의 법칙
- 섭씨온도를 절대온도로 전환 시 T(K) = 273 + ℃
= 표의 자료로 절대온도가 273K에서 546K로 2배가 될 경우 : 부피도 273mL에서 546mL로 2배가 됨
☞“일정한 압력하에서 일정 질량의 기체의 부피는 절대온도에 비례함”
= 압력이 일정할 경우 : 절대온도 T에서 V을 차지하는 일정량의 기체가 절대온도 T1에서 차지하는 부피를 V1이라고 하면 아래와 같은 식이 성립
6.3 Charles의 법칙
4.3 Charles의 법칙
6.4 Boyle-Charles의 법칙
4.4 Boyle-Charles의 법칙
6.4 Boyle-Charles의 법칙
4.4 Boyle-Charles의 법칙
6.5 기체 상태방정식
4.5 기체 상태방정식
6.5 기체 상태방정식
4.5 기체 상태방정식
6.5 기체 상태방정식
4.5 기체 상태방정식
6.6 기체분자 운동론
4.6 기체분자 운동론
• 기체 상태하의 입자는 무질서하게 매우 빨리 움직임
• 기체분자 운동론
- 기체의 물리적인 성질 설명 가능 - 이상 기체의 행동 양상을 보여줌
① 기체는 서로 멀리 떨어진 매우 작은 입자로 구성 → 물속보다 공기 속을 달리는 것이 더 쉬움 ② 기체 입자는 서로 부딪히거나 담긴 용기에 부딪히지 않는 한 빠르게 일직선으로 움직임
③ 일어나는 충돌은 매우 탄성적 → 충돌해도 에너지를 잃는 일이 X, 다시 처음과 같은 속도로 되돌아 나옴 ④ 기체 입자간에는 어떠한 반발력이나 친화력도 없음
⑤ 기체 입자의 운동에너지는 온도에 따라서 변함 가열 시 : 입자는 빨리 움직임
냉각 시 : 점점 느려짐
절대온도(-273.15℃, 0K)에 이를 시 : 정지
☞ 실제 기체 : 특히 고압과 저온에서 움직이지 않음
그러나 덜 극단적인 조건하에서 실제 기체는 이상기체처럼 움직임
6.6 기체분자 운동론
4.6 기체분자 운동론
• 기체에 대한 법칙들 - 보일의 법칙
= 기체의 압력 : 그릇의 벽에 충돌하는 벽에 의해 생성
= 압력의 크기 : 기체가 담겨진 그릇 벽에 기체 분자가 충돌할 때 단위 넓이에 작용하는 힘의 크기 = 일정한 온도에서 어떤 기체의 부피를 반으로 줄일 경우 :
기체 분자가 그릇 벽에 충돌하는 횟수가 2배로 늘어나게 되어 압력이 2배로 증가 - 샤를의 법칙
= 기체의 온도를 높이면 열에 의하여 분자의 운동이 더욱 활발해짐 = 분자가 그릇 벽에 충돌하는 횟수가 증가 되어 압력이 커짐
= 압력이 일정하게 유지되려면 부피가 증가되어야 함 - 아보가드로의 법칙
= 고정된 그릇 속의 기체의 압력 : 기체 분자의 종류에 관계 없이 온도와 분자수에 의해서만 결정 = 기체 분자의 평균 분자 운동에너지 : 절대온도에 비례
= 같은 온도에서는 가벼운 기체분자가 무거운 분자보다 운동속도가 커야 함 = 온도와 압력이 고정되면 기체의 부피는 단지 분자수에 따라 변화 됨
6.7 Dalton의 분압법칙
4.7 Dalton의 분압법칙
• 한 기체의 분압 : 그 기체가 혼합기체와 같은 온도의 같은 용기에 있을 때 작용하는 압력
• Dalton의 분압법칙
- 1801년) Dalton이 발표
☞ “혼합기체에서 성분기체의 분압의 합 = 전체압력”
- PA = A기체의 분압, PB = B기체의 분압
- A기체 (P1V1), B기체 (P2V2), C기체 (P3V3)의 부피가 V인 용기에 혼합시켰을 때 혼합기체의 전압을 P라 하면 다음 식이 성립
6.7 Dalton의 분압법칙
4.7 Dalton의 분압법칙
6.8 기체의 확산에 관한 Graham의 법칙
4.8 기체의 확산에 관한 Graham의 법칙
• 확산 : 기체가 조그만 구멍을 통하여 퍼져나오는 현상 ☞ 기체의 분자는 서로 퍼져 나가는 성질을 가짐
• 확산속도 : 두 가지 이상의 경우 가벼운 기체가 빨리 확산, 무거운 것보다 큼
• Graham’s law
- 1831년) 영국의 화학자 그레이엄(Graham, T.)이 정의
☞ “일정한 온도와 압력하에서 두 가지 기체가 퍼지는 확산속도는 그 기체의 밀도(분자량)의 제곱근에 반비례”
- Graham의 법칙을 이용하여 기체의 분자량을 계산으로 구할 수 있음 - 온도와 압력이 일정할 경우 : 기체 A와 B의 확산속도 = VA, VB
밀도 = dA, dB
분출속도 = v1, v2
- 온도와 밀도가 일정할 경우 : 두 기체의 분출 속도는 분자량의 제곱근에 반비례
연습문제
연습문제
