열역학에 중요한 PV=nRT의 함정

안녕하세요?

이제는 잘 생각이 나지도 않지만, 고등학교 물리나 화학 시간에 배웠는 '이상기체의 상태 방정식'이라는 것이 있습니다. 이 공식은 기체가 압력(P)와 온도(T)에 따라서 부피(V)가 변하는 것이라고 합니다. 이 공식이 일상생활 대부분에서는 정확하다고는 하지만, 저온이나 고압에서와 같은 조건에서 '오차'가 생긴다고 합니다.

이와 같은 오차가 왜 생기느냐 했더니, 먼저 '이상기체의 상태 방정식'이라는 이름에서 알 수가 있듯이 '이상기체'라고 해서, 실제의 기체가 가지는 복잡한 요소를 모두 '생략'한 기체이기 때문이라고 합니다. 우선 이상 기체의 경우 분자는 '크기'를 가지고 있지 않고, 분자 끼리 잡아 당기는 힘인 '반데르 발스 힘'이 작용하지 않는 다고 가정했기 때문입니다.

이 때문에 '이상기체'는 압력이 올라 가거나 온도가 극저온이 되어도 분자끼리 모여 액체가 되지 않는다고 가정을 하였다고 합니다. 하지만 '이상기체'라는 것은 실제의 기체가 아니기 때문에 저온, 고압 에서는 오차가 커지고 실제 일상생활에서도 오차가 있다고 합니다. 그래서 19세기 후반에 물리학자 '반데르 발스'가 '반데르 발스의 상태 방정식'이라는 것을 제안 했다고 합니다.

위 공식에서 a와 b는 반데르 발스 계수라고 해서 기체의 종류에 따라서 다르며, n은 기체의 물질량이라고 해서, 1mol에 6X10^23개 기체의 물질량이 있다고 합니다. 이 공식의 핵심은, 기체 분자는 '크기'가 있기 때문에 '압력'은 당연히 더 증가하고, 반대로 분자끼리 끌어 당기는 힘이 있기 때문에 '부피'는 더 줄어 든다고 합니다.

알아도 그만, 몰라도 그만 일지는 모르지만 뭐라고 해야 할까요? 기체에 대해서 좀 더 정확한 계산이 필요한 작업이 되려면, 이 '반데르 발스의 상태 방정식'을 쓰는 것이 더 나은 선택이 된다고 합니다.