기체의 상태를 설명하는 '샤를의 법칙'

기체의 상태를 설명하는 

'샤를의 법칙' 

■ 기체의 온도와 부피

고체와 액체에 열을 가해 부피가 팽창하는 것을 ‘열팽창’이라고 합니다. 고체와 액체만 열팽창을 하는 것이 아니라 기체도 열을 가하면 부피가 팽창합니다. 이러한 현상은 기체의 열팽창이라고 부르기보다는, 흔히 샤를의 법칙에 의한 현상이라고 이야기합니다.

기체에 열을 가하면 기체 분자의 운동이 활발해지고, 분자 운동이 활발해지면서 분자들 사이의 거리가 멀어지면서 부피가 팽창하게 됩니다. 이처럼 압력이 일정할 때 기체의 온도가 높아지면 기체의 부피가 증가하고, 온도가 낮아지면 부피가 감소하는 것을 ‘샤를의 법칙’이라고 합니다.

고체나 액체가 종류에 따라 열팽창하는 정도가 달라지는 것에 비해 기체는 종류에 상관없이 열팽창을 하는 정도가 같습니다. 기체가 열팽창하는 정도는 기체의 온도가 0℃일 때 부피에 영향을 받습니다. 기체의 압력이 일정할 때 기체의 온도가 1℃ 올라가면 0℃일 때 기체 부피의 1/273만큼 부피가 증가합니다.

▲ 샤를의 법칙(출처: 에듀넷)

여기서 V0는 0℃일 때의 부피를 나타내는 기호이고 t는 기체의 온도, Vt는 t℃일 때의 부피를 나타내는 기호입니다. 이것을 그래프로 나타내면 위와 같은 모양이 됩니다.

 

사실 샤를의 법칙을 공식으로 정리한 사람은 프랑스의 과학자인 게이뤼삭입니다. 게이뤼삭이 기체의 온도와 부피 사이의 관계에 대한 사실을 발표할 때 샤를에게 공을 돌리면서 이 법칙의 이름이 ‘샤를의 법칙’이 되었습니다. 이 때문에 이 법칙을 “샤를-게이뤼삭의 법칙”으로 부르기도 합니다.

 

 

■ 샤를의 법칙과 절대 온도

샤를의 법칙에 따르면 기체의 온도가 1℃ 상승할 때마다 기체가 0℃일 때의 부피의 1/273씩 부피가 팽창합니다. 반대로 기체의 온도가 1℃ 하강하면 기체의 부피는 0℃일 때 부피의 1/273씩 수축합니다. 그렇다면 기체의 부피가 0℃일 때 부피의 두 배가 되려면 기체의 온도는 몇 ℃가 되어야 할까요? 기체의 온도가 273℃가 되면 0℃일 때의 부피의 2배가 됩니다. 같은 원리로 기체의 온도가 -273℃가 되면 기체의 부피는 0이 됩니다.

이 때 기체의 부피가 완전히 사라지는 온도, 즉 -273℃를 0으로 정한 온도가 절대 온도입니다. 게이뤼삭은 실험을 통해 얻은 자료를 바탕으로 기체의 부피가 0이 되는 온도가 -273℃가 될 것이라 예측하였고, 샤를의 법칙을 표현하는 공식에 처음으로 273이라는 숫자를 사용하였습니다.

하지만 게이뤼삭이 절대 온도를 처음으로 이야기한 사람은 아닙니다. 절대 온도는 제 1대 켈빈 남작인 윌리엄 톰슨(William Thomson, 1st Baron Kelvin, 1824∼1907)이 정한 것으로 켈빈 온도라고 부르기도 하며, 단위는 켈빈의 첫 글자를 딴 K를 사용합니다. 절대 온도는 섭씨 온도에 273을 더하면 구할 수 있습니다. 절대 온도 0K를 ‘절대 영도’라고 하는데, 절대 영도에서는 이론적으로 모든 분자들의 운동이 멈추고, 기체의 부피가 0이 됩니다.

절대 온도(K) = 섭씨 온도(℃) + 27

실제로 절대 영도, 즉 기체의 부피가 0이 되는 온도를 만들 수는 없다고 합니다. 대부분의 기체가 0K가 되기 전에 이미 액체로 변하기 때문입니다. 이산화탄소는 -79℃에서 고체인 드라이아이스가 되고, 산소는 -183℃에서 액체가, -218℃에서는 고체가 됩니다. 질소는 -196℃에서 액체로 변하고 -210℃까지 온도가 낮아지면 고체로 변합니다. 헬륨은 -269℃에서 액체로 상태가 변합니다.

온도의 단위로는 섭씨도(℃), 화씨도(℉), 캘빈(K)이 있습니다. 섭씨 온도는 물의 어는점을 0℃, 끓는점을 100℃로 정한 것입니다. 화씨 온도는 물의 어는점을 32℉, 끓는점을 212℉로 정한 것이며, 절대 온도에서는 물의 어는점이 273.15K, 물의 끓는점이 373.15K가 됩니다.

▲ 여러 가지 온도 단위의 비교(출처: 에듀넷)

■ 샤를의 법칙의 확인

샤를의 법칙을 확인하는 가장 쉬운 방법은 빈 페트병을 냉장고의 냉동실에 넣어보는 것입니다. 빈 페트병을 냉동실에 넣은 후 시간이 지나면 페트병이 찌그러지는 것을 관찰할 수 있습니다. 이것은 페트병 내부의 공기의 온도가 내려가면서 수축하였기 때문입니다. 냉장실에 물이 약간 남아 있는 생수병을 꺼내어 물을 다 마시고 냉장고 밖에 두면 잠시 후 페트병에서 “딱”하는 소리가 나는 경우가 있습니다. 이것은 냉장고 속에서 차가운 공기 때문에 수축되어 약간 찌그러져 있던 페트병이 따뜻한 냉장고 밖에서 페트병 속의 공기가 팽창하여 찌그러진 부분이 펴지는 소리입니다.

빈 삼각 플라스크의 입구에 풍선을 씌운 후, 삼각플라스크를 뜨거운 물에 넣으면 풍선이 부풀어 오르고, 찬 물에 넣으면 풍선이 오그라드는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 현상도 역시 삼각 플라스크 속의 공기가 온도에 따라 팽창하거나 수축하기 때문에 나타나는 현상입니다. 이러한 원리를 이용하면 삼각 플라스크 속에 풍선이 들어가게 만들 수도 있습니다. 삼각 플라스크 입구에 풍선을 씌우지 않은 채로 뜨거운 물에 넣으면 삼각 플라스크 속의 공기가 팽창하여 삼각 플라스크 밖으로 빠져나갑니다. 이렇게 공기의 일부가 빠져나간 상태에서 삼각 플라스크의 입구에 풍선을 씌우고, 찬물에 삼각 플라스크를 넣으면 풍선의 부피가 줄어들다가 결국 삼각 플라스크 속으로 들어가는 것을 볼 수 있습니다.

또한 샤를의 법칙을 이용하면 찌그러진 탁구공을 펼 수 있습니다. 탁구를 치다가 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 탁구공 속의 공기가 팽창하면서 탁구공의 찌그러진 부분이 펴지는 것을 볼 수 있습니다. 열기구도 샤를의 법칙을 이용한 것입니다. 기체를 가열하면 팽창하는 성질을 이용하여 열기구의 구피를 뜨거운 공기로 가득 채워 기구가 상승할 수 있게 하는 것입니다.

기체의 온도가 올라가면 팽창하는 성질 때문에 여름철에는 타이어에 넣는 공기의 양이 겨울철보다 적어야 합니다. 뜨거운 지면 때문에 타이어 속 공기가 팽창하기 때문에 겨울철과 같은 양의 공기가 들어 있으면 타이어가 터질 수 있기 때문입니다.

[자료출처: 에듀넷]