압축 인자

압축 인자(compression factor, Z)는 Z = PV/nRT 로 정의된다. 이상 기체의 압축 인자는 모든 조건에서 1이며, 이를 통해 기체의 특성이 이상 기체의 특성에서 벗어나는 정도를 알 수 있다.¹⁾

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1mol의 기체에 대해서 압축인자는 다음과 같이 정의된다.

여기서 @@NAMATH_INLINE@@\bar{V}@@NAMATH_INLINE@@는 기체의 몰부피이다. 따라서 이상 기체의 압축 인자는 모든 압력에서 1이다.

만약 Z값이 1에서 많이 벗어나면 이상 기체 상태 방정식이 성립하지 않는다는 의미이며, 실제 기체에 대한 보다 정확한 상태 방정식이 필요하다. 이상 기체 상태 방정식은 압력이 낮을수록, 0에 수렴할수록 잘 성립하는 극한 법칙(limiting law)임을 알 수 있다.

이상 기체와 실제 기체.

실제 기체를 구성하는 입자는 자체의 크기를 가지며, 이 입자들 사이에는 인력과 반발력이 작용하므로, 실제 기체의 특성은 이상 기체와 다르다. 기체 입자 사이에 인력이 작용하면 용기 벽면에 부딪히는 입자의 속도가 느려지며 단위 시간당 벽면에 부딪히는 입자의 수가 줄어든다. 따라서 이상 기체와 비교하면 실제 기체의 압력은 낮아진다. 기체 입자들 사이의 반발력이 강해지면 이와 반대 현상이 관찰된다.

몇 가지 기체의 압축 인자.()

위 그림은 몇 가지 기체의 압축 인자를 보여주는데 압력이 200기압보다 낮을 때, 대부분 기체의 압축 인자는 1보다 작다. 즉, 실제 기체의 압력은 이상 기체의 압력보다 낮다. 하지만 압력이 그 이상으로 높아지면 압축 인자는 1보다 커진다. 이는 실제 기체의 압력이 이상 기체로 가정했을 때보다 높아진다는 의미이다. 압축 인자의 압력 의존도를 보여주는 위 그림에서 수소와 헬륨의 압축 인자가 항상 1보다 크기에, 이는 두 기체의 입자 사이의 반발력이 다른 기체보다 크다는 것을 알 수 있다. 또 압력이 1~2 기압까지 낮아지면 모든 기체는 이상 기체처럼 행동한다.

1. David W. Oxtoby, H. Pat Gillis, and Alan Campion, Principles of Modern Chemistry, 7th Edition, Cengage Learning (2011). Chapter 9. The Gaseous State. Oxtoby 지음, 일반화학교재편찬위원회 옮김, 옥스토비의 일반화학, 7판, 사이플러스 (2014). 9장 기체 상태.