실제 기체와 반데르발스 방정식
Real Gases and Van der Waals's Equation
[열역학_06. 열역학 법칙: 이상기체 상태방정식]에서 배운 내용을 토대로 우리는 이상기체의 특징에 대해서 다음과 같이 정리할 수 있다.
3번의 내용은 pV=nRT의 식으로 부터 pV/nRT=Z라고 간주했을 때, 어떠한 압력에서도 값(상수) Z를 만족함을 의미한다.
이상의 이상기체의 특징들에 대해 여러가지 반례들을 실제 기체로부터 발견[그림 2]할 수 있다.
위의 특징은 분자량과 부피가 상대적으로 큰 기체 분자(메테인 등)에 적용된다. 반면 수소 분자와 같이 기체의 분자량이 더 작다면, 기체 분자 자체의 부피로 인한 반발력 요소가 바로 나타난다.
19세기, 네덜란드의 물리학자 반데르발스(J. D. van der Waals, 1837~1923)가 고안한 실제기체에 대한 근사상태방정식으로 방정식의 형태는 아래와 같다.
반데르발스 방정식 | Van der Waals Equation
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반데르발스 방정식의 유도
[1] n몰의 이상기체의 경우, 기체의 압력은 로 표현할 수 있다.
[2] 실제 기체는 (1)분자 자체의 부피와 함께 (2)분자 간의 상호작용이 존재하고, 분자 간의 상호작용은 대부분 분자간의 인력에 의한 것이다. ⇒ 실제 기체의 압력은 분자 간의 인력 요소로 이상기체에서 예상되는 압력보다 작게 측정된다.
[3] 기체의 감소되는 압력 p_d는 (1)이상기체가 차지할 수 있는 부피 V_actual의 제곱에 반비례하고, (2)기체의 몰수에는 제곱비례한다. → 비례상수(압력보정상수) a를 도입해 비례식을 항등식으로 만들 수 있다.
그러므로 p_actual은 다음과 같이 쓸 수 있다.
[4] 실제 기체 n몰개의 부피는 분자 자체의 부피요소로 이상 기체에서 예상되는 부피보다 크게 측정된다.
[5] pV=nRT 식은 이상기체가 가지는 p와 V에 대한 내용이었고, 이는 [과정 3]과 [과정 4]의 p_actual, V_actual 식을 변환하여 대입할 수도 있다.
[6] 이상기체 상태방정식에 [과정 5]의 파란색 결과 값을 각각 대입하면 반데르발스 방정식이 최종 유도된다.
q.e.d.
반데르발스 식의 보정상수[표 1]는 실험적으로 측정된다.
이상기체 상태방정식의 3차원 그래프의 모양 또한 반데르발스 방정식의 내용을 적용하면 [그림 3]과 같이 변한다.
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