뿌리학습 · 중학 과학탐구
기체의 압력·부피·온도 관계
기체를 이해하는 출발점은 입자의 움직임이다. 고체에서 입자들은 규칙적으로 늘어서 제자리에서 떨기만 하고, 액체에서는 조금 더 자유롭게 움직인다. 기체에서는 입자 사이가 매우 넓고 입자들이 사방으로 활발하게 돌아다닌다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
15일 무료 · 끝나도 자동 결제 없음 · 이후 월 결제 9,800원부터
개념 정리
이렇게 돌아다니는 입자들은 그릇의 벽면에 끊임없이 부딪힌다. 이때 입자들이 벽면에 힘을 가하는데, 일정한 면적에 가해지는 힘의 정도를 기체의 압력이라고 한다. 그러니 압력은 기체가 원래 가진 고정된 성질이 아니라 부딪힘의 결과다. 부딪히는 횟수가 늘면 압력이 커지고, 줄면 작아진다. 그리고 입자들이 사방으로 움직이므로 기체의 압력은 어느 방향의 벽면에서도 나타난다.
부딪히는 횟수를 좌우하는 것은 세 가지다. 첫째, 같은 공간에 입자가 많을수록 충돌이 잦다. 둘째, 공간이 좁을수록 벽이 가까우니 충돌이 잦다. 셋째, 온도가 높을수록 입자가 빠르게 움직이니 충돌이 잦다. 그래서 입자 수가 많고, 부피가 작고, 온도가 높을수록 압력이 크다.
이제 방향을 바꿔 부피가 무엇에 따라 변하는지 보자. 기체는 입자 사이에 빈 공간이 많아 부피가 쉽게 변한다. 주사기에 기체를 넣고 피스톤을 누르면 입자들이 가까워지며 부피가 줄어든다. 이때 바깥에서 가하는 힘을 외부 압력이라 한다.
온도가 일정할 때, 기체의 압력이 커지면 부피는 작아지고 압력이 작아지면 부피는 커진다. 이것을 보일의 법칙이라 하고, 그래프로 그리면 반비례 곡선이 된다. 온도가 함께 변하면 입자의 속도가 달라져 부피에 영향을 주므로, 온도가 일정하다는 조건이 먼저 붙어야 한다.
여기서 외부 압력과 기체의 압력이 어떻게 이어지는지 짚어 두자. 피스톤이 움직일 수 있는 상황에서 외부 압력을 두 배로 높이면 기체가 눌려 부피가 줄어들고, 그러면서 기체의 압력도 함께 커져 외부 압력과 같아지는 지점에서 멈춘다. 이때 부피는 처음의 절반이 된다. 그래서 외부 압력을 바꾸는 실험으로 이 관계를 확인할 수 있는 것이지, 외부 압력 자체와 부피가 직접 반비례하는 것은 아니다.
주변에서 쉽게 볼 수 있는 예가 있다. 높은 산에 오르면 과자 봉지가 부푼다. 공기가 희박해져 바깥에서 봉지를 누르는 힘이 약해졌기 때문이다. 여기서 자주 헷갈리는데, 봉지 안의 기체가 늘어난 것이 아니다. 안의 입자 수는 그대로이고 바깥 조건이 달라진 것이다. 감압 용기 속 풍선이 부푸는 것도 같은 원리다. 용기 안의 기체를 빼내면 풍선을 누르던 힘이 줄어 풍선 속 기체의 부피가 늘어난다. 부피가 변했다면 안이 아니라 바깥부터 살펴야 한다.
부피에 영향을 주는 또 하나는 온도다. 압력이 일정하고 기체의 양이 변하지 않을 때, 온도가 오르면 입자가 빨라지고 빨라진 입자들이 벽을 밀어내며 부피가 커진다. 온도가 내려가면 반대로 부피가 줄어든다. 이렇게 온도가 오를수록 부피가 커지는 관계를 샤를의 법칙이라 하고, 그래프는 직선이 된다.
찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 담그면 다시 펴지는 것이 이 관계를 보여 주는 예다. 공 안의 기체가 늘어난 것이 아니라, 온도가 올라 입자들이 빨라지면서 안쪽에서 벽을 밀어낸 것이다.
여기서 조심할 점이 하나 있다. 섭씨 온도의 숫자가 두 배가 된다고 부피가 두 배가 되는 것은 아니다. 섭씨 10도에서 20도로 오르면 숫자는 두 배지만 부피는 아주 조금 늘어날 뿐이다. 온도가 오르면 부피가 커진다는 방향은 분명하지만, 일상에서 쓰는 섭씨 눈금의 비율과 부피의 비율이 그대로 맞아떨어지지는 않는다.
마지막으로 온도에 관해 조건을 하나 더 정리해 두자. 온도가 오르면 압력이 커지는지 부피가 커지는지는 상황에 따라 다르다. 그릇이 단단해 부피가 변할 수 없다면 빨라진 입자들이 벽에 더 자주 부딪혀 압력이 커진다. 반면 풍선처럼 부피가 변할 수 있다면 입자들이 벽을 밀어내 부피가 커진다. 같은 온도 상승이라도 결과가 갈리므로, 문제에서 부피가 고정되어 있는지부터 확인해야 한다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과06-01]압력의 의미를 알고, 기체의 압력을 입자의 운동으로 설명할 수 있다.
- [9과06-02]기체의 압력과 부피 관계를 실험 결과로부터 알아내고, 이를 입자 모형으로 해석할 수 있다.
- [9과06-03]기체의 온도와 부피 관계를 실험 결과로부터 알아내고, 이를 입자 모형으로 해석할 수 있다.
자주 하는 착각
압력의 이해
- 기체의 압력이 아래 방향으로만 작용한다고 본다. 무게처럼 누르는 힘으로 상상하기 때문이다. 기체 입자는 무질서하게 사방으로 움직이며 부딪히므로 기체의 압력은 어느 방향의 벽면에서도 나타난다.
- 압력을 기체가 가진 고정된 성질로 본다. 값으로 주어지기 때문이다. 압력은 입자가 벽면에 얼마나 자주, 얼마나 세게 부딪히는지의 결과다. 같은 기체에서 다른 조건이 같다면 입자 수가 많을수록, 부피가 작을수록, 온도가 높을수록 압력이 커지는 경향이 있다.
온도와 압력·부피
- 온도가 오르면 항상 압력이 커진다고 본다. 온도와 압력을 한 쌍으로 외우기 때문이다. 결과는 부피가 고정되어 있는지에 따라 갈린다. 부피가 변할 수 없으면 충돌이 잦아져 압력이 커지고, 부피가 변할 수 있으면 벽면을 밀어내며 부피가 커진다. 조건을 보지 않으면 절반은 틀린다.
- 섭씨 온도의 숫자가 두 배가 되면 부피도 두 배가 된다고 본다. 일상에서 쓰는 온도가 섭씨이기 때문이다. 온도가 오르면 부피가 커지는 것은 맞지만, 섭씨 눈금의 숫자 비율과 부피의 비율이 그대로 맞아떨어지지는 않는다. 섭씨 10도가 20도가 되어도 부피는 두 배가 되지 않는다.
법칙의 조건
- 보일과 샤를의 법칙을 조건 없이 적용한다. 공식만 기억하기 때문이다. 보일은 온도가 일정할 때, 샤를은 압력이 일정할 때 성립한다. 문제에 이 조건이 적혀 있다면 어느 법칙을 쓸지 알려주는 표시다.
사례 해석
- 고산지대에서 과자 봉지가 부푸는 것을 안의 기체가 늘어난 것으로 설명한다. 커졌으니 늘었다고 읽기 때문이다. 봉지 안의 입자 수는 그대로다. 바깥에서 누르는 힘이 약해져 부피가 늘어난 것이다.
- 감압 용기 속 풍선이 부푸는 것을 풍선에 무언가를 넣은 결과로 본다. 위와 같은 구조다. 용기 안의 기체를 빼내 외부 압력을 낮춘 결과다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
기체의 압력은 아래 방향으로만 작용한다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
압력이라는 말을 들으면 무거운 것이 위에서 아래로 누르는 모습을 떠올리기 쉬워요. 그래서 기체의 압력도 무게처럼 아래 방향으로만 작용한다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 기체 입자들이 무질서하게 사방으로 움직이면서 벽면에 부딪히기 때문에, 압력은 위·아래·옆 등 모든 방향으로 고르게 작용해요.
기체의 압력은 입자 수, 부피, 온도에 따라 달라지는 값이다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
압력이 숫자로 딱 떨어지게 주어지다 보니, 마치 그 기체가 원래부터 그 값을 가지고 있는 고정된 성질처럼 느껴지기 쉬워요. 실제로는 압력은 기체 입자들이 벽면에 부딪히는 정도에 따라 결정되는 값이에요. 입자 수가 많아지거나, 부피가 줄어들거나, 온도가 높아지면 입자들이 벽면에 더 자주 세게 부딪히기 때문에 압력은 달라질 수 있어요.
온도가 오르면 부피가 고정되어 있든 아니든 항상 압력이 커진다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
온도와 압력이 함께 변한다는 인상이 강해서, 조건과 상관없이 온도가 오르면 압력도 커진다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 부피가 변할 수 없는 상황에서는 기체 입자의 충돌이 잦아져 압력이 커지고, 부피가 변할 수 있는 상황에서는 벽면을 밀어내며 부피가 커지는 방식으로 결과가 갈려요. 그래서 온도 변화의 결과를 판단할 때는 반드시 부피가 고정되어 있는지 먼저 확인하는 것이 중요해요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반