보일의 법칙 실험 자료
보일의 법칙 실험
1. 실험목적
일정한 온도에서 일정한 양의 공기의 부피는 압력에 반비례한다는 보일의 법칙을 본 실험을 통해 정량적으로 설명할 수 있다.
2. 기초이론
(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.
[1]
: 처음상태의 압력, : 나중상태의 압력
: 처음상태의 부피, :나중상태의 부피
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 것이 Van der Wall`s 식이다. 그것은 다음과 같다.
? 상태방정식 Ban der Wall`s 식으로부터의 보일의 법칙
: 인력 효과 상수 , : 기체분자들 자체의 부피
: 몰수, : 기체상수
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.
a는 기체의 인력을 나타내는 정도를 나타내는 특정 기체의 고유 상수이며 분자가 상호간에 작용하는 것이므로 운동하는 한 분자에 대하여 인력이 작용되는 전체분자의 농도를 곱해주어야 한다.…(생략)
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