이상기체 법칙

이상기체 법칙(理想氣體法則, ideal gas law)은 이상기체를 다루는 상태방정식을 말한다.

4개의 법칙으로 이루어진다고 보면되는데

1. 보일의 법칙

2. 샤를의 법칙

3. 보일-샤를의 법칙

4. 아보가드로의 법칙

으로 으로 이루어진다.

위 법칙의 설명은 그 법칙명으로 검색하면 알 수 있다.

이를 이용해서 기체의 분자량을 구할 수 있는 것이다.

다만 실제 기체는 이상기체와 다르기 때문에 법칙에서 어긋나는 현상이 나타날 수 있는데, 보통 이까지는 고려하지 않는다.

이상기체 방정식은 다음과 같다.

PV = nRT

P는 기체의 압력

V는 기체의 부피

n은 기체 성분의 양

R은 기체 상수

T는 기체의 절대온도이다.

R은 보통 0.082atm*l/g*mol*k를 사용한다.

위 그림은 P와 V의 관계를 나타낸다.

파스칼은 P = F/A라는 압력의 정의를 유추 했고, 보일,샤를,아보가드로의 법칙이 등장하여 이상기체방정식이 확립된 것이다.

위 네가지 법칙을 간단하게 설명하자면 다음과 같다.

보일의 법칙 : 온도가 일정하면 압력과 부피는 반비례한다.

샤를의 법칙 : 압력이 일정하면 부피는 온도에 비례한다.

보일-샤를의 법칙 : 부피는 압력에 반비례하고 온도에 비례한다.

아보가드로의 법칙 : 온도와 압력이 일정하면 부피는 몰수에 비례한다.

실제기체는 대개 이상기체법칙을 따르며, 기체의 밀도가 0에 가깝거나 기체의 온도가 매우 높으면 이상기체 법칙에 더 잘맞게 된다.

그 이유는 밀도가 0에 가까워지면 분자의 운동시 기체 분자끼리 부딪히는 정도가 적어지고 분자 자신의 부피를 무시할 정도가 되는 것이다. 또한 고온이 됨으로써 분자의 운동이 고속이 되어 분자 간의 힘이 무시할 만한 정도가 되기 때문이다.

이를 미시적 관점에서 본 이상기체 방정식은 다음과 같다.

PV = NkT

P는 압력, V는 부피, N은 기체의 분자수, k는 볼츠만 상수, T는 절대온도를 나타낸다.

이 법칙은 대기압 부근에서 거의 모든기체에 대해 잘 적용되며, 압력이 낮아질수록 온도가 높아질수록 더 정확하게 성립한다. 또한 무극성이면서 낮은 분자량을 가진 분자일수록 더 정확하게 성립한다.

또한 이상기체방정식은 반트호프의 삼투압법칙에도 활용할 수 있다.

삼투압법칙은 다음과 같다.

Pi = CRT

Pi는 삼투압,  C는 기체의 몰농도, R은 기체상수, T는 절대온도

이상기체법칙은 실험으로 측정한 거시적행동과 구성분자의 구조 및 상호작용을 연결 시킨 최초의 예라는 의의가 있다. 또한 이 식은 계속 진화해가고 있다.

참고 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%B4%EC%83%81%EA%B8%B0%EC%B2%B4_%EB%B2%95%EC%B9%99