기체

요약 물질의 3태(三態) 중의 하나.

기체 분자 운동 모형

고체와 달리 일정한 모양과 부피를 갖지 않으며, 액체처럼 유동성(流動性)은 있으나 용기 전체에 확산되고, 액체보다 훨씬 압축되기 쉬운 상태에 있는 물체의 상태를 가리킨다. 어떤 물질도 고온 ·저압으로 하면 기체로 변한다. 액체는 기화에 의해 기체로 변하고, 고체는 승화에 의해서 바로 기체로 변한다. 또한 이 반대의 변화도 일어난다. 기체와 액체를 총칭해서 유체(流體)라고도 한다.

아보가드로의 가설(假說)이 나온 후 기체분자에 관한 연구가 진척되어, 분자운동에 의해서 그 성질을 논의할 수 있는 체계(體系)를 기체라 할 때도 있다. 정지상태에 있는 기체는 그것에 접촉하는 물체 표면에 압력을 미치며, 그 기체 속의 어떤 미소한 면을 생각하면 그 양쪽 부분의 기체는 면의 방향에 관계없이 동일한 압력을 미친다.

중력(重力)을 받아 정지된 기체, 예를 들어 대기는 그 온도가 지상에서 상공까지 일정하다고 하면, 높이가 증가할수록 압력이 감소하기 때문에 압력을 측정함으로써 산의 높이를 알아낼 수 있다. 그러나 높이에 따른 압력의 변화는 아주 작기 때문에 실내 또는 용기 내에서 정지하고 있는 기체의 경우에는 압력이 일정하다고 보아도 무방하다. 일정량(질량 mg, 분자량 M)의 기체의 압력 p, 부피 V, 온도 θ℃ 또는 T(단위는 절대온도 K) 사이에는기체의 종류에 관계없이 다음과 같은 보일-샤를의 법칙이 근사적으로 성립한다.





여기서 p과 V은 0 ℃에서의 압력과 부피이며, 단위를 din/cm² 및 cm³라고 하면 비례상수 R는 기체상수 8.314×10⁷(erg/K·mol)이다.

따라서 온도를 일정하게 하면 압력은 부피에 반비례하여 변하고, 압력을 일정하게 하면 온도변화에 따른 부피팽창률은 약 1/273이 된다. 이때 밀도는 부피에 반비례하므로, 압력이 일정할 때 온도상승에 따른 밀도의 감소율은 역시 같은 값이 된다. 또 부피를 일정하게 하고 온도를 변화시키면 압력의 온도상승에 따른 증가율도 같은 값이 된다. 그러나 이러한 관계는 기체가 희박해질수록 잘 성립되나, 특히 강하게 압축되거나 극히 저온(低溫)이 되면 크게 차이가 난다. 따라서 매우 희박해졌을 때 나타나는 극한적 성질을 다른 어떤 압력·온도하에서도 그대로 가지는 기체를 가상적으로 생각하여 이상기체(理想氣體)라 하며, 기체의 성질을 근사적으로 연구할 때 기초적 대상이 된다.

압력·부피·온도는 기체의 상태를 나타내는 양이므로, 이들의 관계를 보이는 앞의 식을 이상기체상태방정식이라 한다. 이에 대하여 실재기체상태방정식은 연구자에 따라 여러 가지 형태로 나타내는데, 다음의 판데르발스식이 흔히 사용된다.





(a, b는 기체의 종류에 따라 정해지는 상수) 일정한 온도하에서의 변화를 등온변화(等溫變化)라 하며, 이상기체에서는 pV가 일정하게 되므로 p를 세로축, V를 가로축으로 하면 등온변화는 직각쌍곡선이 된다. 실재기체는 고압상태에서 갑자기 압력을 낮추면, 즉 갑자기 팽창시키면 줄-톰슨효과에 따라 온도가 내려가므로, 이 현상을 이용하여 공기 등을 임계온도(臨界溫度) 이하로 냉각시켜 액화(液化)하기도 한다. 또 외부와의 열 출입을 차단하여 일으키는 변화를 단열변화(斷熱變化)라 한다.

기체를 단열적으로 팽창시키면 온도가 내려가고, 반대로 압축하면 올라간다. 혼합기체의 전압력은 돌턴의 부분압력(部分壓力)의 법칙에 따라 혼합을 이루고 있는 각 성분의 기체가 단독으로 용기의 전체 부피를 점유하고 있을 때 나타내는 압력(부분압력)의 합과 같다. 이상은 주로 기체의 열적(熱的) 성질이다. 기체가 운동할 때에는 액체와 마찬가지로 약간의 점성저항(粘性抵抗)을 받는다. 그러므로 고체인 벽을 따라서 고속도로 움직이면 소용돌이가 생긴다. 또 기체의 밀도는 온도·압력에 따라 변화하나, 일반적으로 표준상태에서의 값으로 나타낸다. 공기와의 상대밀도도 흔히 사용되며, 또한 밀도로부터 분자량을 계산해낼 수 있다.