보일-샤를의 법칙

 

  기체의 특징은 압력(P,pressure)이나 온도(T/t,temperature)에 따라 부피(V,volume)변화가 크다는 것이다. 기체는 물질의 세 가지 상태 중 분자간 평균 거리가 가장 먼 상태라고 할 수 있다. 때문에 사이사이 있는 공간 덕분에 부피가 쉽게 변화하는 것이다. 압력을 가하면 쉽게 부피가 줄어들고, 열을 가하면 쉽게 부피가 증가한다. 풍선을 예를 들어 생각해보자. 풍선을 누르면서 옆으로 찌그러지지 않게 하면 풍선의 부피가 줄어든다. 또, 풍선을 가열하면 부피가 증가한다.(풍선의 가열이 이해가 안 가면 열기구 풍선을 생각하면 된다. 열가구 풍선의 부피가 작은 상태에서 온도를 높이면 풍선이 부푸면서 떠오른다.)

 

이러한 압력과 부피, 온도와 부피의 관계를 설명한 것이 보일의 법칙(Boyle's law)과 샤를의 법칙(Charles's law)이다.

 

먼저 압력에 대해 정의할 필요가 있다. 압력이란 단위면적당 가해진 힘의 크기인데, 기체의 경우 힘을 기체 분자가 벽면에 충돌하는 힘으로 본다. 보일은 아래와 같은 실험을 통해 일정 온도, 일정량의 기체

일때, 기체의 부피가 압력에 반비례한다는 것을 알아냈다. 즉. V∝1/P 결국 PV=(일정) 이란 식을 유도해냈다. 이것이 바로 보일의 법칙이다.

 

온도에는 크게 3가지 단위가 있다. 섭씨온도(℃, Celcius), 화씨온도(℉, Fahrenheit), 그리고 절대온도(K, Kelvin)의 3가지이다. 섭씨온도는 물의 어는점을 0, 끓는점을 100으로 하여 그 사이를 100등분 한 온도 단위이고, 화씨온도는 물의 어는점을 32, 끓는점을 212로 하여 그 사이를 180등분한 온도 단위이다. 절대 온도는 -273℃(정확히는 -273.15℃)를 0으로 한 것으로 간격은 섭씨온도와 동일하다. 프랑스의 샤를은 기체의 부피가 온도가 1℃ 증가할 때 마다 0℃ 부피의 1/273씩 증가한다는 것을 알아냈다. 다시 말해서 기체의 압력이 일정하고, 기체의 양이 일정할 때 기체의 부피는 절대온도에 비례한다는 것이다. 즉, V∝T, 결국, V/T=(일정)이라는 식이 만들어졌다. 이것이 샤를의 법칙이다.

 

보일의 법칙과 샤를의 법칙을 합치면 보일-샤를의 법칙을 만들 수 있다. 즉, V∝T/P,

 

결국 PV/T=(일정) 하다는 법칙이다. 이것이 확장되면 이상 기체 상태 방정식을 만들 수 있다.