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물리학 스토리

이상기체의 법칙

by 오이코스 2023. 7. 28.
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무엇 하나는 희생해야 한다


이상기체의 법칙은 대개의 환경에서 대부분의 기체가 부피, 압력,

온도 간에 어떤 관련이 있는지를 설명하는 간단한 방정식이다. 앞문

장의 '대개의 환경'과 '대부분의 기체'라는 표현은 이 법칙이 우주 어

데거나, 언제나 쓸 수 있는 게 아니라는 걸 의미한다. 그렇긴 해도

우리의 일상생활에서 이 법칙은 정말 가치가 있다. 게다가 이상기체

의 법칙은 닫힌계 coed system`에서 변수가 서로 어떻게 영향을 주는

지를 우리에게 보여주는 좋은 모델이기도 하다. 이 법칙을 약간만 수

정하면 압력이 가해질 때 일을 어떻게 수행할지를 안내해주는 이상

과제의 법칙을 만들어낼 수 있다.

만약 당신이 수학을 잘하는 사람이라면 이상기체의 법칙을

PV-NTR라는 식으로 기억할지도 모르겠다. 여기에서 p는 압력이

고, V는 부피다. n은 기체를 이루는 원자나 분자의 수, R은 양변에 다른 단위의 수들이 들어가도 식이 서로 맞게 하는 단위를 가진 기제

상수이며 마지막으로 T는 온도다. 만약 당신이 수학에 자신이 없다

면 이상기체의 법칙을 지금까지의 과학 법칙 중 가장 확실한 자리를

노리는 도전자쯤으로 치부하면 된다. 이상기체의 법칙과 사촌 격인

보일의 법칙과 샤를의 법칙은 우리가 이미 직관적으로 알고 있는 것

을 계산해내고 정량화하는 방법들이다. 예를 들어, 만약 우리가 공

기가 빠지도록 풍선을 놔두면 풍선은 점점 작아질 것이다. 풍선을 자

그거나 풍선 외부의 온도와 공기 압력을 바꾸지 않는 한에서 말이다.

우리들 대다수는 이렇게 풍선이 줄어드는 현상을 초등학교 1학년이

되기 전부터 알고 있다. 전혀 놀라운 아기가 아니란 말이다.

비록 낯설게 느껴지지 않는다고 해도 이상기체의 법칙은 기체로

된 것들에 대해서 우리가 조금 더 자세히 알아보고 시험하도록 해준

다. 우리에게 공기 분자들의 비밀스러운 면을 들여다보게 해주는 것이

다. 공기 분자들은 어느 한 자리에서 조용히 배회하지 않는다. (여기

에서 말하는 분자는 이산화탄소(CO)와 같은 분자로 이루어진 기체, 그리고

예전부터 원자로 이루어진 헬륨과 같은 기체 둘 다를 포함한다. 이들 분자

는 이상기체의 세상에서 동일한 생명체로 다루어진다) 만약 분자가 충분

해 커서 우리 눈에 보이는 정도라면 우리는 기체 분자들이 마치 춤을

추듯 항상 움직이는 것을 확인할 것이다. 분자들은 에너지가 많을 수

록 더 빨리 움직인다. 에너지를 얻어서 더 빨리 움직이면 온도가 울

라란다. 분자가 거의 완벽하게 정지한 상태에 머무는 때는 오직 절대

영도(섭씨 -273도)라고 부르는 온도에서뿐이다. 이 경우 물 제외하고

는 분자들은 춤에 완전히 미쳐 있다.



뜨거운 물에 들어가자 에너지(얼)가 터 해지면서 분자 음악

금속 구가

밴드는 초기 로큰롤곡을 연주하기 시작했다. 남자 분자들은 격식 있은

게 차려입은 갑갑한 코트를 넷에 던져버렸고 여자 분자들은 머리를

풀어 늘어뜨렸다. 그러고는 남자 분자와 여자 분자들이 스윙 댄스를

주기 시작했는데, 모차르트 음악에 맞춰 쁘뱃하게 보조를 맞출 때 보

다 서로 간에 몸이 더 많이 부 뒤 쳤다. 과시하고 싶은 분지들은 자신

의 파트너를 공중으로 던지고 다리 사이로 미끄러져 지나가게 했다.

이런 식으로 일어나는 서로 간의 부대낌, 그리고 금속 구 벽과의 층

돌은 금속 구 안의 압력을 높였다. 금속 구 안의 온도가 점점 올라가

자 분자 음악 밴드는 조금 더 템포가 빠른 곡을 골랐고 분자들은 더

육 더 격렬하게 춤을 추며 금속 구 안은 광란의 도가니에 빠졌다. 원

자들은 카디건과 스웨터를 벗어 던졌다. 몸에 걸치고 있던 땀으로 홍

건한 티셔츠를 지어서는 그 옷에다 스프레이고 그림을 그렸다. 그들

은 머리를 모호크족 스타일*로 밀었고 입술에 피어싱하는 등 광

간의 분위기는 더해갔다. 이것이 바로 분자가 많은 에너지를 갖고 있은

오면서 이를 어디에다 쓸 수가 없을 경우에 일어나는 일들이다.

분자들이 어딘가에 완전히 가두어져 있는 상황에서 열을 받으면

그 안의 압력은 높아진다. 이들 공기 분자들은 서로 부대끼며 춤을

추고 금속 구 가장자리로 서로를 밀쳐댄다. 이들은 자신들이 한 수

있는 한 최대로 움직여대고 그러면서 금속 구 안의 벽과 마구 부 및

칠 수밖에 없다. 이들에겐 제대로 춤을 추려면 공간이 더 필요하다!

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