기체의 압력과 부피 사이의 관계를 설명하는 '보일의 법칙'

기체의 압력과 부피 사이의 

관계를 설명하는 '보일의 법칙'

기체의 압력, 부피, 온도는 서로 밀접한 관계가 있습니다. 기체의 압력과 부피 사이의 관계에 대한 법칙은 보일의 법칙, 기체의 온도와 부피 사이의 관계는 샤를의 법칙으로 설명할 수 있습니다. 보일의 법칙과 샤를의 법칙과 관련된 기체의 부피 변화는 우리의 일상생활에서도 쉽게 관찰할 수 있습니다. 보일의 법칙과 샤를의 법칙에 대해 자세히 알아보고, 같은 법칙을 발견한 보일과 마리오트, 샤를과 게이뤼삭에 대해 알아봅시다.

 

■ 기체의 압력과 부피

보일은 J자관 실험과 로버트 훅의 도움을 받아 만든 진공 펌프를 이용한 실험을 통해 기체의 압력이 커지면 기체의 부피가 줄어든다는 것을 발견하였습니다. 실험 결과를 정리하여 보일은 1662년에 ‘기체의 압력과 부피는 반비례한다.’는 보일의 법칙을 발표하였습니다.

2013년 8월 14일 낮에 한 미술관의 대형 유리가 갑자기 무너져 내리면서 사람들이 다치는 사고가 있었습니다. 이 사고는, 건물에 고정되어 있던 유리가 더운 여름날 뜨겁게 데워지면서 팽창하다가 더 이상 견디지 못하고 깨져서 생긴 사고입니다. 이처럼 고체 물질은 열을 받으면 팽창하는 성질을 가지고 있습니다. 고체의 열팽창의 또 다른 예로 전봇대의 전선을 들 수 있는데 전봇대에 걸린 전선들은 여름에는 길어져서 아래로 늘어져 있고, 겨울에는 줄어들어 팽팽하게 연결되어 있는 것을 볼 수 있습니다.

▲ 보일의 법칙(출처: 에듀넷)

보일은 3m 길이의 유리관을 J자 모양으로 만들어 이를 실험에 활용하였습니다. 유리관 안에 수은을 채우면 J자관의 끝 부분에 공기가 모이게 되고, 어느 순간 유리관의 왼쪽과 오른쪽 수은의 높이가 같아지게 됩니다. 이 때 관의 오른쪽에 있는 수은은 공기가 누르는 힘, 즉 대기압을 받고 있습니다. 이 대기압의 크기는 관의 왼쪽에 들어 있는 공기의 압력과 같습니다. 만약 대기압이 크다면 수은이 왼쪽으로 더 밀려갈 것이고, 공기의 압력이 더 크다면 수은이 오른쪽 관을 따라 올라갈 것이기 때문입니다. 이 상태를 유지하고 있는 J자관에 수은을 더 넣으면 왼쪽으로 수은이 더 올라가다가 어느 순간 멈추게 됩니다. 이때 관의 왼쪽에 들어있는 공기의 부피가 줄어드는 것을 관찰할 수 있었습니다. 이 상태에서 수은을 더 넣었더니 공기의 부피가 더 줄어드는 것을 볼 수 있었습니다.

 ▲ 보일의 J자관 실험 장치(출처: 에듀넷)

보일은 1643년 토리첼리가 발견한 약 76cm 높이의 수은 기둥이 누르는 압력이 평상시 대기압의 크기와 같다는 사실을 알고 있었고, 이를 이용하여 수은 기둥의 높이를 조절하여 압력의 크기를 변화시킬 수 있었습니다. 보일은 오른쪽 관의 수은 기둥의 높이에 따라 공기의 부피가 어떻게 달라지는지를 알아보는 실험을 반복하였고, 결국 압력이 2배가 되면 공기의 부피는 1/2배가 되고, 압력이 3배가 되면 공기의 부피가 1/3이 된다는 것을 밝혀 낼 수 있었습니다.

▲ 보일의 J자관 실험(출처: 에듀넷)

보일이 이러한 사실을 밝혀내기 까지 수많은 실험을 반복하였고, 많은 고생을 해야 했습니다. 3m 길이의 유리관은 보관하기 어려웠을 뿐만 아니라 수은이 매우 비쌌기 때문입니다. 또한 수은을 유리관에 부었을 때 유리관이 깨지는 일이 많아 유리관도 계속 새로 제작해야 했습니다. 유리관이 깨지면 수은이 바닥에 흩어져 방울이 되어 버리는데, 이것을 다시 모으는 것도 쉽지 않은 작업이었습니다. 이러한 고생 끝에 ‘보일의 법칙’이 탄생하게 된 것입니다.

 

그러나 1662년에 기체의 압력과 부피가 반비례하다는 것을 보일이 가장 먼저 발견하였지만, 1676년에 프랑스의 물리학자 마리오트도 자신의 책에서 기체의 부피가 압력에 반비례한다고 밝혔습니다. 그래서 프랑스에서는 이 법칙을 마리오트의 법칙이라 부르고, 유럽에서는 보일-마리오트의 법칙이라고 부르기도 합니다. 마리오트는 보일이 발표한 내용에 온도가 일정할 때 이러한 현상이 나타난다는 내용을 추가하여 발표하였습니다.

 

 

■ 보일의 법칙의 확인

보일의 법칙을 확인하기 위한 가장 쉬운 방법은 주사기 속에 공기를 넣은 후 주사기 입구를 막고 피스톤을 힘껏 눌러 보는 것입니다. 피스톤을 힘껏 누르면 주사기 속의 공기에 작용하는 압력이 커져서 공기의 부피가 줄어들게 됩니다. 피스톤을 누르는 힘이 사라지면 주사기 속의 공기는 다시 처음의 부피로 돌아가게 됩니다. 주사기가 압력이 커지는 경우에 기체의 부피가 어떻게 변하는지를 확인하는데 이용된다면, 압력이 작아지는 경우에 기체의 부피가 어떻게 변하는지를 확인하여면 진공 실험 장치를 이용하면 쉽게 확인할 수 있습니다. 진공 실험 장치의 펌프를 이용하여 용기 안의 공기를 빼내면 용기 안의 압력이 작아지고, 이에 따라 용기 안에 넣은 물체에 기체가 들어 있는 경우 부피 변화가 나타나게 됩니다.

실험 도구를 이용하지 않아도 우리의 생활 속에서 보일의 법칙을 확인할 수 있습니다. 비행기가 이륙하여 높은 곳까지 올라가면 공기가 들어 있는 과자 봉지나 반쯤 물이 들어 있는 물병이 팽창하는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 고도가 높은 곳의 기압이 지표면보다 작기 때문에 과자 봉지나 물병에 들어 있는 공기가 팽창하기 때문에 나타나는 현상입니다. 마찬가지로 높은 산의 정상에 가까워질수록 물병과 과자 봉지가 팽창합니다. 물병이 팽창하는 것을 보기 위해서는 물병 속에 물이 가득 채워져 있으면 안 되고, 반 이상 비워져 있어야 합니다.

헬륨이 들어 있는 풍선을 놓치면 위로 올라가게 됩니다. 헬륨 풍선이 하늘 위로 올라가면 주위의 기압이 낮아지기 때문에 풍선이 점점 부풀어 오르게 됩니다. 그러다가 풍선이 더 이상 팽창을 견디지 못하게 되면 풍선이 터져버리게 됩니다. 이처럼 헬륨 풍선이 하늘 위로 올라가다가 터지는 것도 보일의 법칙으로 설명할 수 있습니다.

[자료출처: 에듀넷]