기체의 부피 변화
1.기체의 압력
기체의 압력이 나타나는 까닭은 무엇일까?
같은 크기의 힘으로 연필 양쪽을 누르면 뽀족한 쪽의 손가락이 더 깊이 눌린다. 이는 같은 크기의 힘이 작용하더라도 힘을 받는 넓이에 따라 그 효과가 다르기 때문이다. 이때 일정한 넓이가 받는 힘의 크기를 압력이라고 한다.
압력은 공기와 같은 기체에서도 나타난다.
페트병에 쇠구슬을 넣고 흔들면 쇠구슬이 페트병 벽에 충돌하면서 힘을 가한다. 이와 마찬가지로 기체에서는 끊임없이 운동하는 기체 입자들이 용기 벽에 충돌하면서 힘을 가하기 때문에 기체의 압력이 나타난다.
기체 입자는 모든 방향으로 운동하면서 용기 벽에 충돌하므로 기체의 압력은 모든 방향으로 작용한다. 바람이 빠진 농구공에 공기를 넣으면 더 많은 기체 입자가 농구공 벽에 충돌하여 모든 방향으로 압력을 가하므로, 압력이 커져 농구공이 팽팽하게 부풀어 오른다.
한편, 우리는 대기에 둘러싸여 있으므로 늘 대기의 압력을 받고 있는데, 이 압력을 대기압이라고 한다. 대기압은 모든 방향으로 작용하고, 크기는 지표 부근에서 1기압이다. 높은 곳으로 올라갈수록 공기의 양이 적어지므로 대기압도 점점 작아진다.
2. 기체의 압력과 부피 관계
기체의 압력과 부피는 어떤 관계일까?
꽃씨를 넣은 풍선이 하늘 높이 올라가면 점점 커지다가 터져 꽃씨가 넓은 지역으로 퍼진다. 이것은 풍선이 위로 올라갈수록 대기압이 낮아져 풍선 속 기체의 부피에 영향을 미치기 때문이다.
일정한 온도에서 일정한 양의 기체에 작용하는 압력이 커지면 기체의 부피가 줄어들고, 기체에 작용하는 압력이 작아지면 기체의 부피가 늘어난다. 기체의 압력이 달라져 부피가 변하는 현상은 입자의 운동으로 설명할 수 있다.
일정한 온도에서 일정한 양의 기체에 작용하는 압력을 높이면 입자 수는 변하지 않지만 기체의 부피가 줄어든다. 따라서 입자 사이의 거리가 가까워지고 입자들이 용기 벽에 더 많이 충동하므로 용기 속 기체의 압력이 커진다. 반대로 기체에 작용하는 압력을 낮추면 입자 수는 변하지 않지만 기체의 부피가 늘어난다. 따라서 입자 사이의 거리가 멀어지고 입자들이 용기 벽에 더 적게 충돌하므로 용기 속 기체의 압력이 작아진다.
이와 같이 온도가 일정할 때 기체에 작용하는 압력이 변하면 입자들이 용기 벽에 충돌함으로써 생기는 기체의 압력이 외부에서 작용하는 압력과 같아질 때까지 기체의 부피가 줄어들거나 늘어난다.
압력에 따라 기체의 부피가 변하는 예에는 무엇이 있을까?
물속에서 잠수부가 내뿜은 공기 방울은 수면으로 올라갈수록 점점 커지는데, 이것은 수면으로 올라갈수록 물속의 압력이 작아지기 때문이다. 또, 과장 봉지를 가지고 높은 산에 올라가면 과자 봉지가 부풀어 오르는데, 이것은 높이 올라갈수록 대기압이 작아지기 때문이다.
우리는 생활에서 압력에 따라 기체의 부피가 변하는 현상을 이용하기도 한다.
3. 기체의 온도와 부피 관계
기체의 온도와 부피는 어떤 관계일까?
페트병을 마개로 막아 냉장고에 보관하면 찌그러지고, 이 페트병을 냉장고 밖에 꺼내 두면 찌그러진 부분이 펴진다. 이것은 온도에 따라 기체의 부피가 변하기 때문이다.
일정한 압력에서 일정한 양의 기체의 온도를 높이면 일정한 비율로 기체의 부피가 늘어나고, 기체의 온도를 낮추면 일정한 비율로 기체의 부피가 줄어든다. 온도에 따라 기체의 부피가 변하는 현상은 입자의 운동으로 설명할 수 있다.
일정한 압력에서 일정한 양의 공기가 들어있는 용기 속 기체의 온도를 높이면, 기체 입자가 활발하게 운동하여 용기의 안쪽 벽에 강하게 충돌하므로 용기의 벽면이 밀려나면서 기체의 부피가 늘어난다.
반대로 용기 속 기체의 온도를 낮추면 기체 입작 둔하게 운동하여 용기의 안쪽벽에 약하게 충돌하므로 기체의 부피가 줄어든다. 즉, 기체의 온도가 변하면 입자수는 변하지 않지만 입자의 운동 빠르기가 달라지기 때문에 기체의 부피가 변한다.
온도에 따라 기체의 부피가 변하는 예에는 무엇이 있을까?
여름철에 햇빛이 비치는 곳에 과자 봉지를 두면 과자 봉지가 부풀어 오르고, 물이 들어있는 오줌싸개 인형에 뜨거운 물을 부으면 인형이 몸 밖으로 물줄기를 내뿜는다.
우리는 생활에서 온도에 따라 기체의 부피가 변하는 현상을 이용하기도 한다.
열기구를 내려오게 할 때 연소 장치의 불꽃을 줄이면 열기구 안에 들어 있는 기체의 온도가 낮아지면서 열기구의 부피가 조금씩 줄어들고, 뜨거운 공기 일부를 배출해도 열기구 속 온도가 낮아지면서 부피가 줄어들어 서서히 내려오게 할 수 있다.
오늘은 기체의 부피 변화에 대해서 알아보았습니다.
감사합니다.