이상 기체는 이상한(strange) 기체가 아니라 이상적인(ideal) 기체를 말합니다. 제가 보기에는 이상하게도, 이상적인 이란 말을 붙이더군요. 역학 시간에 배운 것도 ideal 한 경우를 말하고 있지 않나요? 우리 주변에 마찰력이 없는 경우가 어디 있습니까? 굳이 이상적인 기체를 강조합니다.
이상 기체의 특징
• 기체 분자 자체는 질량은 있지만, 부피가 없다. → P 를 무한히 올리면, V 를 0 으로 만들 수 있겠네요.
• 기체 분자 사이의 위치 에너지는 없다. (운동 에너지만 있다.) → 분자 사이에 인력이 없다.
• 기체 분자의 충돌은 완전 탄성 충돌이다. → 충돌하면서 에너지가 다른 형태로 사라지지 않는다.
• 온도를 떨어 뜨리거나, 압력을 올려도 액화, 응고가 일어나지 않는다.
• 온도를 0 K 로 보내도 고체로 되지 않고, 부피는 0 이 된다.
• 완벽히 보일-샤를의 법칙, 이상 기체 상태 방정식을 만족한다.
실제 기체
• 기체들은 온도를 낮추면 액체, 고체가 됩니다. 공기의 주성분인 질소, 산소의 녹는점은 대략 -210°C, -219°C 이지만 절대온도로 약 63K, 54K 로, 헬륨이 4K 에서 액체인 것을 생각하면 괘 높은 온도에서 고체가 됩니다.
공기가 액체 헬륨과 만나면 어떤 일이 벌어질까요? 공기가 얼어 붙으면서 눈처럼 내립니다. 물론 물이 얼은 눈도 포함되겠지만요. 이걸 보려면 액체 헬륨을 투명한 용기에 담아야 할텐데, 요즘은 헬륨을 안전상 스텐인리스 용기에 담지만 유리로 만든 용기를 쓴 적도 있어요. 그러면 공기가 눈처럼 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 액체헬륨을 상온으로 올리면 갑자기 부피 팽창하여 엄청나게 위험해 질 수 있는 일이라 조마조마 하면서 불가피하게 공기랑 직접 맞닫게 한 적이 있습니다. 그러구 용기 안을 보니 하얗게 눈처럼 공기들이 쌓여 있는 것을 본 적이 있네요. 전세계적으로도 얼마 안되는 사람들만 보았을 희귀한 장면이지요.
• 기체 분자 자체가 부피가 없을 리 없고, 분자들 끼리도 서로 위치에너지가 존재합니다. 화학시간에 반 데르 발스 방정식이라고 수정된 식을 씁니다.
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