[열역학 개념의 해설] 이상기체

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제14장 '이상기체' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다. 

 

14. 이상기체

이상기체라는 용어는 중고등학교 때부터 많이 들어 보았을 텐데요. 이상기체를 정의하는 데 사용되는 가정을 다시 한번 살펴보자면 아래와 같습니다. 

• 분자 자체의 부피가 무시되는 기체
• 분자 간의 인력, 반발력이 무시되는 기체
• PV=RT, 이상기체 상태 방정식을 따르는 기체

이상기체는 상호 인력과 반발력이 존재하지 않기 때문에, 분자 운동에너지를 높여주는 온도에 의해서만 내부 에너지가 변화한답니다. 반면, 실제기체는 인력과 반발력이 존재함으로, 온도 외에 압력과 부피 또한 분자의 내부 에너지에 영향을 주겠지요? 

 

이상기체의 내부에너지가 온도만의 함수라는 것은, 이상기체의 엔탈피 또한 온도만의 함수라는 뜻이기도 합니다. 

• H = U + PV = U + RT 

그리고 아래 정압열용량(Cp), 정용 열용량(Cv) 정의를 생각해보면, 이상기체의 Cp, Cv도 온도만의 함수라는 결론이 나오겠지요? 주로 이상기체의 Cp는 온도에 대한 2차식으로 나타낸답니다. 

• Cp = (dH/dT)p
• Cv = (dU/dT) v

이상기체의 열용량이 온도에 의한 함수라는 것을 이용하면, 온도 변화에 따른 엔탈피 변화량도 아래와 같이 계산이 가능하겠지요? 즉, 측정 가능한 값으로 측정이 불가능한 에너지 변화량을 계산할 수 있답니다! 

• △H = ∫(Cp)dT
• △U = ∫(Cv)dT

여기서 또 한 가지 짚고 넘어가야 할 사실은 열용량은 물질에 따라 일정한 값이 아니라 온도에 따라 변화할 수 있는 값이라는 것입니다. (물의 비열이 항상 1 cal/g•℃ 이 아니라, 온도에 따라 변화한다는 뜻이에요!) 

 

또한, 이상기체는 인력과 반발력이 무시되기 때문에 순물질이든 혼합물이든 물성이 동일하다는 특성도 있답니다. 실제기체의 경우 당연히 구성성분에 따라서 물성이 변화하는데요. 실제기체 혼합물의 물성을 일일히 측정하는 것은 현실적으로 매우 힘들겠지요? 그래서 간접적으로 실제기체 혼합물의 물성을 특성 계산하고자 도입한 개념이 있으니, 그것이 바로 잉여성질이랍니다. 

• 잉여성질 = 실제기체의 물성 - 이상기체의 물성

잉여성질의 경우 기체의 압축 계수(Z)를 이용하여 계산이 가능하고 이상기체의 물성 또한 계산이 가능하기 때문에, 이를 통해 실제 기체의 물성(밀도, 내부 에너지, 깁스 에너지, 엔탈피 등)도 측정할 수 있답니다. 

 

정리하면, 이상기체는 온도에 의해서만 영향을 받는 기체이며, 이를 통해 온도 변화에 따른 엔탈피 변화를 계산할 수 있고요. 또한 이상기체의 물성을 이용하여 실제 기체의 물성도 계산할 수 있답니다. 

 

그럼 열역학 개념의 해설, 이상기체에 대한 포스팅을 마치겠습니다.