보일 법칙
[ Boyle's Law ]
이상 기체 법칙의 하나로, 온도와 기체의 양(몰 수)이 일정할 때, 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 법칙. 기체의 상태는 4개 변수, 부피(V), 압력(P), 온도(T), 양(mole 수)으로 표현된다. 부피와 압력의 관계를 보여주는 보일 법칙은 두 변수 사이의 관계를 식으로 나타낸 최초의 물리 법칙으로 알려져 있다.1)
압력에 따른 이상 기체의 부피 변화 ()
기체의 압력과 부피의 관계는 17세기 타운리(Richard Towneley)와 파우어(Henry Power) 등이 제안하였으며, 보일이 실험을 통하여 확인하였다. 보일은 공기를 이용한 실험을 하였으며, 조수인 후크(Robert Hooke)가 만든 장치를 사용하였다.
목차
이상 기체와 보일 법칙
보일은 공기를 이용하여 실험하였지만, 엄밀히 얘기하여 이 법칙은 이상 기체에 적용되는 법칙이다. 보일 법칙은 '온도와 기체의 양이 일정할 때, 이상 기체의 부피는 압력에 반비례한다'고 정의된다.
즉,
이상 기체의 등온선(isotherm) ()
@@NAMATH_INLINE@@V \varpropto \frac{1}{P} @@NAMATH_INLINE@@ (T, n 일정)
또는
@@NAMATH_INLINE@@PV = k@@NAMATH_INLINE@@ (k는 상수)
따라서 온도와 기체의 양이 일정할 때, 기체의 압력과 부피가 P1, V1에서 P2, V2로 변하였다면,
@@NAMATH_INLINE@@P_1 V_1 = P_2V_2@@NAMATH_INLINE@@
의 관계가 성립한다.
온도가 일정할 때 압력 변화에 따른 부피를 도시하면 그림와 같은 곡선이 얻어진다. 이처럼 온도가 일정할 때, 다른 변수들 사이의 관계를 등온선(isotherm)이라고 한다.
그림에서 알 수 있듯이 일정한 압력 조건에서 온도가 높아지면, 기체의 부피가 커진다.
실제 기체와 보일 법칙
반 데르 발스 기체로 가정한 CO2의 압력-부피 등온선 ()
온도가 높고 압력이 낮으면 실제 기체는 이상 기체와 유사한 특성을 보여 준다. 하지만 온도가 낮고 압력이 높으면 실제 기체의 압력-부피 등온선은 이상 기체의 등온선과 크게 달라진다. 실제 기체의 특성을 일부 반영한 판데르 발스 기체의 압력-부피 등온선에서 알 수 있듯이, 온도가 높을 때(70 °C)는 이상 기체와 같이 압력은 부피에 반비례하는 등온선이 얻어진다. 온도가 31 °C로 낮아지면 변곡점이 나타난다. 이는 반비례 곡선이 아니기 때문에 압력과 부피의 곱(PV)은 더 이상 상수가 아니다. 이 온도를 임계점(critical point)이라고 하며, 온도가 임계점보다 압력이 아무리 높아도 기체는 액화되지 않는다. 온도가 임계점보다 낮은 경우 반 데르 발스 기체의 등온선은 극댓값과 극솟값을 갖는 3차 함수의 곡선이 된다. 실제 기체는 이 영역에서 액화가 일어난다.
보일(Robert Boyle)2)
보일(Robert Boyle, 1627-91) ()
보일(Robert William Boyle)은 1627년 아일랜드(Lismore Castle)에서 태어났다. 철학자, 화학자, 물리학자 겸 발명가로 알려져 있으며, 근대 과학의 창시자 중 한 사람이다. 보일 법칙으로 잘 알려진 보일은 개인 교사로부터 라틴어, 그리스어, 프랑스어 등을 배웠으며, 영국의 이튼 칼리지(Eton College)에서 공부하였다. 유럽과 아일랜드 등에서 공부와 연구를 하던 보일은 1654년 옥스포드(Oxford)에 정착하여 연구를 계속하였다.
보일은 "소원 목록"으로 24가지 발명 가능한 목록을 제시하였다. 그중에는 "생명 연장", "항공 기술", "영원한 빛", "가벼우면서도 강력한 무기 제조", "어떤 바람 속에서도 항해할 수 있으면서 침몰하지 않는 배", "실용적이면서도 확실하게 경도를 찾는 방법" 등이 있다. 24 가지 목록의 대부분은 실현되었다.
보일은 금속을 다른 원소로 바꾸는 것이 가능하다고 믿었지만, 그에게 화학은 물질의 성분에 대한 과학이었으며 연금술이 전부는 아니었다. 그는 원소란 분해할 수 없는 성분이라고 생각하였다. 보일은 물질의 구성 성분을 검출하는 다양한 방법을 개발하였으며, 그 과정을 분석(analysis)이라고 명명하였다. 그의 저서 회의적인 화학자(The Sceptical Chymist)는 화학 분야의 초석이 된 책이다.
물리학자로서 보일은 보일 법칙을 확립하였으며, 물이 어는 과정에서의 팽창력, 공기에 의한 소리 흡수, 비중과 굴절력, 결정, 전기, 색, 유체 정역학 등을 연구하였다.
참고 문헌
1. Britannica Educational Publishing, 2012, p.95.
2.