이상 기체 4대 과정과 일

이상 기체 4대 과정에서 일을 알아보겠습니다.

> ‘이상기체 4대 과정’은 중요한 4가지 과정을 일컫는 말이 없길래 제가 이름지은 것입니다. 물리학에서 쓰는 공식 용어가 아닙니다. 혼동없으시길

> 이상기체에서 일에 대한 기본적 내용은 이상기체가 한 일 L5 에 있습니다. 잘 쓴 글이 아니라서 추천 드리지는 않습니다.

그림 A
그림은 평소에 많이 보는 피스톤 장치에 기체가 담겨 있는 그림입니다. 만약 피스톤 부분의 질량이 없다고 하고, 바깥 부분이 진공이라고 가정해 봅시다. 그러면, 기체 분자가 운동하면서 피스톤을 때리게 될 것입니다. 압력이 P, 피스톤 단면적이 A 라고 하면 힘 F = P*A 이므로 피스톤을 밀어 내어 아래 그림처럼 피스톤을 올라 갈 것이고,

그림 B
결국 피스톤은 빠져나오고, 기체는 진공 중으로 다 빠져 나갈 것입니다.

만약 바깥쪽이 진공이 아니라 보통의 대기 상태라면, 1기압으로 피스톤을 누르는 상황이 되고, 그림 B 처럼 피스톤을 위로 올리려면 1기압보다 조금만 더 큰 힘이 작용하면 계속해서 위로 올릴 것입니다. 그러므로 그림 A 상태가 계속 유지되려면 기체의 압력도 대기의 압력이 같아야만 합니다.

왼쪽 : 그림 C, 오른쪽 : 그림 D

그림 C 는 피스톤 위에 질량을 추가하여 피스톤이 기체를 누르는 힘을 키운 것입니다. 이 상태가 유지 되고 있다는 말은 기체의 압력이 대기의 압력 + 추의 무게 와 같아야만 합니다.

그림 D 는 그림 C에 비해 기체의 부피가 늘어났습니다. 이렇게 부피가 늘어나게 하는 여러 가지 방법이 있습니다. 압력, 온도, 열을 조정하는 방법입니다. 그 변수 중 하나는 고정시키고 변화 시키는 것이 이상 기체 문제에 나오는 4대 과정입니다.

이상 기체 4대 과정

P-V 그림에서 4대 과정을 모두 한꺼번에 그린 것입니다.

a 등적 (정적) 과정	기체의 부피가 일정한 과정	그림 C 상태에서 추의 무게가 늘어납니다.
b 등압 (정압) 과정	기체의 압력이 일정한 과정	그림 C 상태에서 그림 D 처럼 부피가 늘어납니다. 추의 무게는 똑같습니다.
c 등온 과정	기체의 온도가 일정한 과정	그림 C 상태에서 그림 D 처럼 부피가 늘어납니다. 추의 무게는 줄어듭니다. 대신, 기체의 온도가 일정하도록 추의 무게를 줄입니다.
d 단열 과정	기체의 열출입이 없는 과정	그림 C 상태에서 그림 D 처럼 부피가 늘어납니다. 추의 무게도 줄어듭니다. 기체의 열 출입을 막기 위해 용기는 단열재로 둘러 싸여 있습니다.

기체가 한 일

a 등적(정적) 과정에서는 기체가 한 일이 없습니다. 부피가 전혀 변하지 않았기 때문입니다.
b 등압(정압) 과정, c 등온 과정, d 단열과정 에서는 일을 하였습니다. 기체가 피스톤의 추와 대기가 누르는 힘과 같은 크기로 용기 바깥쪽으로 밀면서 부피가 늘어 났기 때문입니다.
부피가 늘어나는 쪽이 기체가 일을 하는 쪽입니다.
c, d 의 경우는 추의 무게를 조금씩 바꾸어 주어야 합니다. 그래서, P-V 그림이 곡선입니다.
일을 얼마만큼 했는지 알고 싶으면 아래 그림과 같이 면적을 계산하면 됩니다.
어디서 본 것과 똑같습니다. 일과 에너지에서 힘 F – 거리 s 그래프와 같습니다. 기체가 한 일을 구하는 것과 원리가 같기 때문입니다.

이상 기체 4대 과정

기체가 한 일

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