실제 기체의 거동과 압축 계수

개요

• 이상 기체 방정식은 실전에서는 물리적 한계가 있다.
• 실제 기체는 유한한 분자 부피와 분자 간 상호작용(인력·반발력)을 갖는다.
• 이러한 차이를 정량화하기 위해 **압축 계수(Z)**와 Van der Waals 방정식이 사용된다.
• 온도와 압력에 따라 기체의 거동이 어떻게 변하는지를 실험 데이터를 통해 설명한다.

핵심 개념

• 분자 부피: 기체 분자는 점이 아니라 실제 부피를 차지한다.
• 분자 간 상호작용:
  • 인력 – 분자가 멀리 떨어져 있을 때는 서로 끌어당김, 압력을 감소시킴.
  • 반발력 – 분자가 매우 가까워지면 전자 구름이 겹쳐 강한 반발, 압축 저항 증가.
• 압축 계수 (Z):
  [ Z = \frac{P,V_m}{RT} ]
  • 이상 기체는 (Z=1).
  • (Z<1) → 인력이 우세(가압축 가능).
  • (Z>1) → 반발력이 우세(가압축 불가).
• Van der Waals 방정식:
  [ \left(P + \frac{a}{V_m^2}\right)(V_m-b) = RT ]
  • (a): 인력 상수, (b): 분자 부피 상수.
• 임계점 및 응축: 온도가 낮아지면 인력이 강해져 응축이 일어나고, 일정 압력에서는 압력이 일정해지는 수평 구간이 나타남.

상세 내용

• 저압에서의 거동

  • 분자 간 거리가 멀어 상호작용이 거의 없으므로 이상 기체와 유사.
  • (Z \to 1) (모든 기체가 동일한 경향).

• 중간 압력

  • 인력이 우세 → (Z<1).
  • 기체는 이상 기체보다 더 압축 가능.

• 고압

  • 반발력이 우세 → (Z>1).
  • 기체는 이상 기체보다 덜 압축 가능.

• 온도 영향

  • 낮은 온도에서는 인력이 강해져 실험 곡선이 이상 기체 곡선보다 아래로 치우침.
  • (20^\circ C)에서 탄소 이산화물(CO₂) 실험 곡선이 이상 기체 곡선과 수평 구간을 보이며 응축을 나타냄.

• 압축 계수 그래프

  • 수소는 거의 모든 압력 범위에서 (Z>1)을 보이며 반발력이 강함.
  • 메탄, 암모니아 등은 중간 압력에서 (Z<1), 고압에서 (Z>1).

핵심 요약
실제 기체는 분자 부피와 상호작용을 고려해야 하며, 압축 계수 (Z)는 이상 기체와의 편차를 정량화하는 유용한 지표다.
온도와 압력이 변함에 따라 인력과 반발력의 균형이 달라져 기체의 압축성 및 응축 현상이 결정된다.