기체의 부피를 측정하는 방법은?

기체의 부피를 

측정하는 방법은? 

 

■ 기체의 부피 측정

‘기체’는 물질의 세 가지 상태 중 하나로, 일정한 모양과 부피가 없는 것이 특징입니다. 기체는 담고 있는 용기를 가득 채우기 때문에 용기에 따라 기체의 모양이 변하게 되고, 용기에 균일하게 채워지기 때문에 용기의 부피가 커지면 기체가 팽창하여 부피가 커지고 용기의 부피가 작아지면 기체가 압축되어 부피가 작아집니다.

기체의 부피를 측정하기 위해서는, 먼저 기체를 모을 집기병이나 눈금 실린더에 물을 가득 채운 다음, 입구를 손으로 막고 수조의 물속에서 공기가 들어가지 않도록 하면서 거꾸로 세웁니다. 그리고 기체 발생 장치를 통하여 나오는 기체를 고무로 된 유도관을 통해 집기병이나 눈금 실린더 속에서 물과 바뀌게 하여 그 부피를 측정합니다. 기체는 담긴 그릇 전체에 균일하게 퍼지게 되므로 기체가 담겨 있는 그릇의 부피가 곧 그 기체의 부피가 됩니다. 기체의 부피는 온도와 압력에 따라 변하므로 반드시 함께 표시하도록 합니다.

▲ 기체의 부피 측정(출처: 에듀넷)

■ 기체의 부피와 온도

온도가 증가하면 기체의 부피도 증가합니다. 일정한 압력에서 기체의 종류와 상관없이 온도가 1℃ 증가할 때마다 0℃일 때 부피의 1/273씩 증가합니다. 이 법칙을 프랑스의 물리학자 샤를이 발견하여 ‘샤를의 법칙’이라고도 하고 온도와 기체의 부피에 관한 법칙으로 ‘기체 팽창의 법칙’이라고도 합니다.

 

이렇게 기체가 팽창하는 원리를 이용하면, 실수로 밟아 찌그러진 탁구공을 물이 담긴 비커에 넣고 가열하면 찌그러졌던 탁구공에 다시 동그랗게 됩니다. 이것은 탁구공 속의 공기 온도가 올라가서 부피가 늘어났기 때문입니다. 또, 기체 팽창의 법칙은 타이어에도 적용됩니다. 여름철에는 자전거나 오토바이의 타이어에 공기를 평상시보다 적게 넣고, 겨울철에는 평상시보다 약간 더 넣습니다. 이것은 여름철과 같이 기온이 높은 계절에는 타이어 속 공기의 부피가 증가하므로 타이어에 공기를 평상시보다 적게 넣으며, 기온이 낮은 계절에는 타이어 속 공기의 부피가 감소하므로 평상시보다 공기를 약간 더 넣어서 조절하는 것입니다.

■ 기체의 부피와 압력

페트병에 약간의 공간을 남기고 물을 거의 채운 뒤 뚜껑을 닫아 바닥에 누이면 공기 방울이 생깁니다. 이때 페트병을 손으로 눌러 힘을 가하면 페트병에 있는 공기 방울의 크기가 줄어드는 것을 볼 수 있습니다. 또한, 페트병을 누르던 손을 떼어 힘을 빼면, 페트병의 공기 방울의 크기가 원래대로 돌아오는 것을 볼 수 있습니다. 기체에 힘을 가하면 기체의 부피가 줄어들고 가했던 힘을 빼면 기체의 부피가 원래대로 돌아오는 것을 알 수 있습니다. 또한, 주사기 안에 공기를 넣고 피스톤을 눌렀을 때 피스톤이 안으로 많이 밀려들어 가는 것으로 보아 공기의 부피가 줄어든 것을 알 수 있습니다. 이처럼 압력에 의해 기체의 부피는 변합니다.

 

공기와 같은 기체 입자들 사이의 거리는 액체나 고체에 비하여 멀기 때문에 기체에 압력을 가하면 기체 입자들 사이의 간격이 줄어들면서 부피가 줄어듭니다. 반대로 가했던 압력을 제거하면 다시 기체의 부피가 원래대로 늘어나게 됩니다. 커다란 튜브 위에서 반동으로 높이 뛰어오르는 워터블롭점프는 가한 힘에 따라 기체의 부피가 줄어들고 늘어나는 기체의 성질을 이용한 것입니다.

▲ 워터블롭점프(출처: 에듀넷)