이상기체와 실제 기체의 차이점 알아보기

기체는 온도와 압력에 따라 다양한 성질을 보입니다. 이를 설명하기 위해 물리학과 화학에서는 이상기체(Ideal Gas)와 실제 기체(Real Gas)라는 개념을 사용합니다. 이상기체는 이론적으로 가정된 완벽한 기체이며, 실제 기체는 현실에서 존재하는 모든 기체를 의미합니다. 이번 글에서는 이상기체와 실제 기체의 차이점을 알아보고, 실제 기체가 이상기체에서 벗어나는 이유를 살펴보겠습니다.

이상기체란?

이상기체(Ideal Gas)란 기체의 운동을 설명하기 위해 가정된 이론적인 모델입니다. 이상기체는 다음과 같은 가정을 따릅니다.

이상기체의 가정

• 기체 분자는 크기가 없다(점 입자): 기체 분자는 부피가 없으며, 기체 전체의 부피는 오직 분자 간의 거리로 결정됨.
• 분자 간 인력이 존재하지 않는다: 기체 분자들은 서로 상호작용하지 않으며, 탄성 충돌만 일어남.
• 모든 충돌은 완전 탄성 충돌이다: 기체 분자들이 서로 충돌할 때 에너지를 잃지 않음.
• 기체 분자들은 무작위로 운동한다: 기체 분자들은 등방적으로(모든 방향으로) 무작위 운동을 함.
• 기체의 평균 운동 에너지는 온도에만 의존: 온도가 증가하면 기체 분자의 운동 속도가 증가.

이상기체 상태 방정식

이상기체는 다음과 같은 상태 방정식을 따릅니다.

\[ PV = nRT \]

• P: 기체의 압력(Pressure, atm 또는 Pa)
• V: 기체의 부피(Volume, L 또는 m³)
• n: 기체의 몰 수(mol)
• R: 기체 상수(0.0821 L·atm/mol·K 또는 8.314 J/mol·K)
• T: 절대 온도(K)

실제 기체란?

실제 기체(Real Gas)는 자연에서 존재하는 모든 기체를 의미합니다. 실제 기체는 이상기체의 가정과 다르게 분자의 크기와 분자 간 인력을 고려해야 한다는 특징이 있습니다.

실제 기체의 특징

• 기체 분자는 크기를 가진다: 실제 기체의 분자들은 부피를 가지며, 기체의 전체 부피에 영향을 미침.
• 분자 간 인력이 존재한다: 기체 분자들은 서로 약한 반데르발스 힘(인력 또는 척력)을 가짐.
• 충돌 시 에너지가 손실될 수 있다: 온도와 압력에 따라 충돌이 완전히 탄성 충돌이 아닐 수도 있음.
• 고압, 저온에서 이상기체와 차이가 커짐: 기체 분자 간 인력이 강해지고, 부피가 무시할 수 없을 정도로 작아지면 이상기체와의 차이가 증가.

이상기체와 실제 기체의 차이점

구분	이상기체	실제 기체
분자 크기	없음(점 입자)	존재함
분자 간 인력	없음	존재함(반데르발스 힘 등)
충돌	완전 탄성 충돌	일부 비탄성 충돌 가능
상태 방정식	\( PV = nRT \)	반데르발스 방정식 적용
저온·고압 조건	항상 이상적으로 행동	이상기체와 차이가 커짐

실제 기체의 보정: 반데르발스 상태 방정식

실제 기체는 이상기체 방정식과 차이가 있기 때문에, 네덜란드 물리학자 반데르발스는 이를 보정하는 방정식을 제안했습니다.

\[ \left( P + \frac{a}{V^2} \right) (V - b) = nRT \]

• a: 분자 간 인력 보정 항
• b: 분자의 유한한 부피 보정 항

이 방정식은 고압과 저온에서 실제 기체의 거동을 설명하는 데 사용됩니다.

실생활에서 실제 기체가 이상기체와 차이를 보이는 경우

1. 액화 천연가스(LNG)와 기체의 응축

이상기체는 어떤 온도에서도 기체 상태로 존재하지만, 실제 기체는 일정 온도 이하에서 액체로 응축됩니다. 예를 들어, LNG(액화 천연가스)는 -162℃에서 액체로 변하여 저장됩니다.

2. 고압 기체(산소통, 헬륨통)

산소통이나 헬륨통처럼 높은 압력에서 저장된 기체는 이상기체 방정식으로 정확히 예측할 수 없습니다. 실제 기체의 분자 간 인력과 부피를 고려해야 합니다.

3. 비행기에서의 공기 밀도 변화

비행기가 높은 고도로 올라가면 기압이 낮아지면서 공기 분자 간 인력이 약해집니다. 이때 실제 공기의 밀도는 이상기체 방정식으로 예측한 값과 다를 수 있습니다.

결론

이상기체는 이론적인 개념으로, 실제 기체와 다소 차이가 있습니다.

• 이상기체: 분자 크기와 인력이 없고, 이상기체 상태 방정식을 따름.
• 실제 기체: 분자 크기와 인력이 존재하며, 고압·저온에서 이상기체와 차이를 보임.

실제 기체의 특성을 더 정확히 설명하기 위해 반데르발스 상태 방정식과 같은 보정 방정식이 사용됩니다.