기체의 압력과 부피
기체 입자는 쉬지 않고 여러 방향으로 움직이며 벽에 부딪혀요. 입자의 운동으로 기체의 압력이 생기는 까닭을 보고, 압력이나 온도를 바꿀 때 기체의 부피가 어떻게 달라지는지 직접 재어 그래프로 나타내 봐요.
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압력
일정한 넓이에 작용하는 힘이 압력이에요. 같은 넓이를 누르는 힘이 클수록, 같은 힘이 좁은 넓이에 작용할수록 압력이 커요.
기체의 압력은 입자의 충돌
기체 입자는 끊임없이 움직이며 벽에 부딪혀 힘을 가해요. 입자가 모든 방향으로 움직이니 압력도 모든 방향으로 작용해요. 크기가 같은 용기에 입자가 많을수록 벽에 부딪히는 횟수가 늘어 압력이 커져요.
압력과 부피 (온도 일정)
기체를 누르는 압력이 커지면 부피가 줄어요. 입자 사이가 가까워져 벽에 더 자주 부딪히므로 기체의 압력이 커지고, 누르는 압력과 같아지면 피스톤이 멈춰요. 온도가 그대로이면 입자의 빠르기는 변하지 않아요.
온도와 부피 (압력 일정)
온도가 높아지면 입자가 더 활발하게 움직여 벽에 세게 부딪히므로 부피가 늘어나요. 온도가 낮아지면 입자의 운동이 둔해져 부피가 줄어요. 입자의 수는 변하지 않아요.
관계를 식으로 나타내기
압력과 부피의 곱이 일정하다는 식(보일 법칙), 절대 온도와 부피의 비례식(샤를 법칙), 입자 빠르기의 분포는 중학교 범위가 아니에요. 고등학교 ‘기체 분자 운동과 압력’에서 다뤄요.
확인하기
1. 크기가 같은 두 용기에 같은 온도의 기체 입자를 20개, 40개 넣었어요. 압력이 더 큰 쪽과 그 까닭은?
2. 온도가 일정할 때 피스톤 위에 추를 더 올리면, 기체 입자의 빠르기는 어떻게 될까요?
3. 압력이 일정할 때 기체의 온도를 높이면 부피가 늘어나는 까닭은?
생각해 보기
- 자전거 바퀴에 공기를 더 넣으면 바퀴가 단단해져요. 바퀴 속 공기 입자의 수와 충돌 횟수로 설명해 보세요.
- 물속에서 내쉰 공기 방울은 물 위로 올라갈수록 점점 커져요. 공기 방울을 누르는 압력과 부피의 관계로 설명해 보세요.
- 빈 플라스크 입구에 고무풍선을 씌우고 플라스크를 뜨거운 물에 넣으면 풍선이 부풀어요. 플라스크 속 공기 입자의 운동으로 설명해 보세요.