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기체의 온도변화에 따른 부피변화
(1) 물질의 상태와 무게는 어떠한 관계가 있을까요?
물질의 상태가 액체나 기체나 고체로 변하게면, 그 물질의 부피도 변하게 됩니다.
그런데 고체가 액체로 변할 때는 부피의 변화가 매우 작습니다. 그러나 액체가 기체로 변할때는 그 부피 변화가 상당히
큽니다.
예를 들어, 물10g의 고체, 액체, 기체 상태에서 차지하는 부피를 알아 보면 다음과
같다.
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종류
부피
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얼음(10g)
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물(10g)
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수증기(10g)
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부피(㎤)
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11㎤
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10㎤
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17000㎤
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(2) 기체의 온도와 부피의 관계는 어떠한가요?
고체와 액체는 온도에 따라 부피가 약간씩
변합니다.
기체는 온도가 높아지면 고체나 액체에 비해 상대적으로 더 부피가 늘어나고 온도가 낮아지면 부피가 줄어든다.
기체의 온도가 높아지면, 부피가 늘어나게 됩니다.
그런데 기체의 온도가 높아질 때 부피는 얼마나 증가하게 될까요?
샤를이란 사람은 '온도가 1℃ 높아질 때마다 0℃때 부피에 대하여 1/273만큼씩
증가한다'는 사실을 발견하였습니다. 이를 샤를의
법칙이라고 합니다.
부피가 늘어나는 것은 온도가 높아지면 분자 운동이 활발해집니다. 이러한 현상은 팝콘을 후라이팬에 넣고 가열하면 톡톡
튀기면서 분자 운동이 활발해 지는 현상을 보면 알 수 있습니다.
헤어스프레이를 포함한 압축깡통을 태우거나 열에 가까이 했을 때 폭발한다.
온도가 증가하면 분자는 더 빨리 움직이고, 압력이 일정하다면 체적이 증가하여 충돌 빈도를 같도록 한다.
그래서 분자의 운동 속도가 빨라지게 됩니다. 이 때 일정한 압력을 유지하기 위해서는 부피가 커져야 하기 때문에 온도가
올라가면 부피가 증가하게 됩니다.
(3) 공기의 온도와 부피와 압력의 관계는 어떠한가요?
① 온도가 올라가면 부피가 증가한다.
② 부피가 적어지면 온도가 내려간다.
③ 압력이 증가하면 온도가 증가한다.
④ 압력이 증가하면 부피가 감소한다.
고체나 액체는 압력에 따른 부피 변화가 거의 없다.
기체에 외부 압력을 가하면 부피가 줄어들고 압력을 줄이면 부피가 커진다. 가해주는 압력이 커짐에 따라 액화될 수 있다.
(4) 물질의 상태와 분자운동은 어떠한가요?
① 고체 상태 :
고정된 위치의 분자, 제한된 체적 내의 운동으로 질서가 있다. 에너지가 가장 작아서 진동 운동만 한다.
② 액체 상태 :
분자는 유동적이나, 상호인력이 분자를 응축상으로 함께 뭉쳐놓는다. 운동의 자유도는 고체보다 많고 기체보다는 적다.
고체가 에너지를 받아 액체가 되면, 회전 및 병진 운동 에너지가 증가하여 진동 운동과 함께 회전, 병진 운동을
하게 된다.
③ 기체 상태 :
무작정 운동, 매우 약한 상호작용, 무질서하다. 부피가 매우 크고, 압력에 따라 부피가 변한다. 액체를 가열하여
끓는점 이상이 되면, 모든 분자의 운동 에너지가 분자 간의 인력을 이기게 되어 기체로 된다. 진동, 회전, 병진
세 가지 분자 운동을 모두 하지만, 특히 병진 운동이 활발하다. 따라서 다른 분자의 인력에 의해 영향을 받지 않고
전체 용기의 구석구석까지 자유롭게 운동한다
④ 플라즈마(제 4의 물질 상태) :
고온 상태의 기체와 비슷하지만 근본적 차이는 전기를 띤 상태이며, 고온에서의 격렬한 충돌로 인하여 원자나 분자에서
전자 한 두 개가 떨어져서 이온화된 원자가 분자와 함께 존재하는 상태이다. 즉 전자가 원자로부터 떨어져 나와 양전하와
음전하가 골고루 분포되어 있으며, 이 때 외부에서 강한 전기장이나 자기장을 걸어 주면 쉽게 영향을 받아 흐름이나
진동이 생기게 된다. 우주 내의 대부분은 플라즈마 상태이며, 플라즈마를 이용한 예는 형광등, 광고용 네온 등이
있으며, 앞으로 미래의 에너지 발전에 새로운 자원으로 사용하기 위해 집중적으로 연구되고 있다.
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