보일의 법칙 실험
1. 실험 목적
일정한 온도에서 일정한 양의 공기의 부피는 압력에 반비례한다는 보일의 법칙을 본 실험을 통해 정량적으로 설명할 수 있다.
2. 기초 이론
(1) 1단계: 보일의 법칙의 기본 식과 실제기체에 대한 보정식을 생각하도록 한다.
1) 보일의 법칙
보일의 법칙은 압력과 부피를 곱하면 항상 같은 값을 갖는다는 것이다. 즉, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다. 이것은 이상기체에 대한 식이다.
2) 실제기체의 보일의 법칙
위의 식은 이상기체에 해당하는 식으로 실제기체에서는 정밀한 실험을 하게 될 경우 이와 같은 식을 사용할 수 없다. 그 이유는 기체 분자간의 인력과 기체가 차지하는 전체 용기의 부피가 아닌 기체 분자 자체의 부피 때문인데 실제기체에 대한 고찰은 여러 가지가 있지만, 그 중에 대표적인 것 이 Van der Wall s 식이다. 그것은 다음과 같다.
① 상태 방정식 Van der Waal s 식으로부터의 보일의 법칙
이 식의 P는 실제 나타나는 압력이며, V는 실제 부피이다. 그리고, nRT는 이론적인 값으로 항상 일정하다. 이상기체에서는 이 값과 PV값이 같다. 그러나, 실제기체에서는 대부분의 기체에서 대체로 PV값이 작아져서 보정을 해주어야 한다.
기체 분자 사이에는 반발력과 인력이 존재하는데, 거리가 비교적 먼 1기압 정도에서는 반발력은 거의 없고, 인력이 주로 존재하므로 P값은 이상상태보다 적게 나타난다. 그러므로 압력은 보정값을 더해주어야 보정이 된다. 그러나, 분자자체의 부피가 없을 때 즉, 이상상태일 경우에는 기체 분자가 움직이는 공간 전체를 다 부피로 계산해주어야 하지만, 실제기체는 부피가 있어 기체가 행동하는 공간은 전체부피보다 적은 공간만 다닌다. 그러므로 이상기체보다 동일한 시간에 부딪치는 횟수가 더 많다. 그러므로 PV값을 오히려 증가시키는 요인으로 작용한다. 그래서 분자자체의 부피를 전체 공간에서 빼주어야 한다. 즉, 기체분자가 실제로 다니는 공간만을 계산해주는 것이다.
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2016.05.13
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