기체 법칙 — 압력·부피·온도의 관계

기체는 저울뿐 아니라 부피, 압력, 온도까지 함께 움직입니다. 그 세 변수가 어떻게 연결되는지를 정리한 것이 보일·샤를·게이뤼삭의 기체 법칙입니다.

P, V, T 세 변수#

기체는 담는 공간을 채우고, 벽을 밀며, 온도에 따라 운동이 달라집니다. 그래서 압력 P, 부피 V, 온도 T가 함께 등장합니다. 아래 세 법칙은 모두 기체의 양이 일정하다는 조건에서 성립합니다. 풍선에 공기가 새거나 더 들어오면 다른 식이 필요합니다.

세 법칙#

보일의 법칙은 온도가 일정할 때 누르면 부피가 작아진다는 뜻입니다. 압력이 2배가 되면 부피는 1/2이 됩니다. 샤를의 법칙은 압력이 일정할 때 데우면 부피가 커진다는 뜻이고, 게이뤼삭의 법칙은 부피가 일정한 단단한 용기에서 데우면 압력이 커진다는 뜻입니다.

기체 법칙은 서로 다른 공식 세 개를 외우는 단원이 아닙니다. 한 번에 두 변수의 관계만 보려고 나머지 조건을 고정한 것입니다. 온도와 몰수가 일정할 때는 압력과 부피를 보고, 압력과 몰수가 일정할 때는 온도와 부피를 봅니다. 무엇을 고정했는지를 먼저 확인하면 식 선택이 자연스러워집니다.

P와 V는 반비례 관계라 P-V 그래프는 곡선이지만, V-T와 P-T는 K 기준에서 직선입니다.

켈빈 온도와 결합 기체 법칙#

기체 법칙의 온도는 반드시 절대온도 K로 넣습니다. 섭씨 0도는 물이 어는 자리이지 기체 운동이 0이 되는 자리가 아닙니다. 섭씨를 그대로 식에 넣으면 0°C에서 부피가 0이 된다는 잘못된 결과가 나옵니다.

K = °C + 273

세 변수가 모두 바뀔 때는 결합 기체 법칙으로 묶을 수 있습니다.

P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂

다음 글에서는 여기에 mol 수 n까지 더해, 네 변수를 한 식으로 묶는 PV = nRT를 만납니다.