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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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열도 에너지의 한 형태이고, 역학적 에너지 보존 법칙이 성립하지 않는 곳에는 열이 발생하는 것도 알고 있다. 결국, 열과 역학적 에너지를 모두 합친 것은 보존 되어야 한다는 것이 ‘열-역학적 에너지 보존 법칙’이다. 열역학에서는 또 다른 말로 ‘열역학 1법칙’이라고 한다. E = Q – W 라고 표현하는 식에 관한 이야기이다.

고체, 액체의 경우

고체나 액체를 가열하면, 온도의 변화를 알면 얼마만큼의 열량이 주어진 것인지 알 수 있다. 그 열량에 해당하는 에너지는 고체나 액체를 구성하는 분자들의 에너지로 들어 있다고 보는 것이다. 역학적으로 (질량 중심의) 운동에너지, 위치에너지는 늘어나지 않더라도, 그것은 내부에 있는 분자들의 에너지가 늘어났기 때문이지 에너지가 사라진 것은 아니라고 생각한다. 그래서, 내부 분자들의 에너지를 특별히 내부에너지 E 라고 부르며, 증가된 E 는 가해준 열량 Q 로 부터 온다. 고체나 액체의 경우, 압력, 부피의 변화가 그다지 크지 않기 때문에 기체처럼 해준 일을 따지지도 않는다. ( 온도차에 따른 열량 관계식에서 비례상수로 비열이 있는데, 우리가 특별히 압력을 더 증가 시킨다고 부피의 변화가 일어나는 것이 아니기 때문에 기체처럼 정적 비열, 정압 비열과 같이 구분하지 않고 비열이라고만 배운 것이다.)
E = Q , W = 0

기체의 경우

기체의 경우는 압력에 따른 부피의 변화가 아주 크고, 온도 마저도 압력, 부피에 큰 영향을 미친다. ( 보일 – 샤를의 법칙 ) 따라서, 기체가 한 일도 따져야 한다.

기체를 가열하면 열에너지가 기체 분자의 운동에너지, 즉 내부에너지를 증가시킬 수 있지만, 동시에 압력과 부피에도 변화를 주어 일도 하게 된다. Q 만큼의 열에너지가 주어져도 기체가 한 일 W 만큼 에너지가 전환되므로, 내부에너지는 E = Q – W 밖에 증가할 수 없게 된다.

끝이 막혀 있는 주사기에서 내부에너지는 우리가 한 일 (- W : 기체가 받은 일) 과 그 과정에서 열량의 증가 Q 만큼 늘어나서, E = Q + ( – W ) 가 된다.

어느 과정 속에서 열을 가했다면 그것은 일부는 내부에너지를 증가시키고 일부는 일을 하는데 쓰였을 것이다. Q = E + W

이렇게 저렇게 다른 방법으로 설명하는 이유는 E = Q – W 의 부호가 상당히 까다롭기 때문이다. 보통 W 는 기체가 한 일로 정의하기 때문에 역학 시간에 배운 것과 부호가 반대임을 주의해야한다.
위에서 쓴 글도 생각을 하고 식을 쓰는게 아니라, 식을 생각하면서 말을 만들었다. 그 만큼 부호문제는 신경을 써야 한다. 기출 문제가 쉬운듯 쉽지 않은 이유이다. 식을 보면서 말로 이리저리 바꾸어서 해 보길 권장한다. 시험 문제에 나오는 설명문이 내가 생각하고 있는 것과 같은 방식이란 보장이 없다.

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