이상 기체 상태 방정식과 실제 기체 상태 방정식의 비교 (반데르발스 기체 방정식, 기체상수 결정 실험)

소개글

이상 기체 상태 방정식과 반 데르 발스 기체 방정식을 공부하면서 어떤 차이가 있으며, 여러 인자에 의해 어떤 변화가 이루어지는 지를 알기 위해 실험을 설계하는 과정을 기록한 보고서입니다.

목차

1. 이상기체와 실제기체의 차이
2. 압축인자
3. 반 데르 발스 식 유도
4. 실험 설계(기체 상수 결정 실험)

본문내용

반 데르 발스 식에서 가장 특징적으로 나타나는 것은 바로 a와 b인자입니다. 이 두 인자는 각각 실체기체를 보정하는 인자로써 이상기체와의 차이를 갖는 원인에 관련된 것이기도 합니다.
우선 a인자에 대해 알아보도록 하겠습니다.
a인자는 기체 분자들 사이에 작용하는 인력을 고려한 것이며, 이에 인력 인자라고 부른다고 합니다. 기체 분자들이 서로 접근하여 인력이 작용하게 되면, 인력이 작용하기 전보다 용기의 벽면에 충돌하는 충돌 빈도가 줄어들게 되고, 자연스럽게 충돌이 줄어들기 때문에 압력 또한 낮아지게 됩니다. 따라서 실제 기체의 압력은 이상 기체의 압력에 비해 작게 측정되었고, 이에 인력에 의해 감소한 압력에 대해 보정항을 더해주게 됩니다. 분자 사이에 작용하는 인력은 분자 쌍에 작용하기 때문에 단위 부피당 입자수의 제곱에 비례하다고 생각한 반 데르 발스는 보정식으로 a(n/V_real )^2 이러한 수치를 더해주게 됩니다.
b인자는 기체 분자 자체의 부피를 고려한 인자입니다. 측정한 전체 부피에서 기체 분자 자체의 부피를 빼주어야만 기체가 자유롭게 운동할 수 있는 공간 부피가 됩니다. 따라서 위의 식과 같이 기체 1몰 당 제외해야 하는 부피 값을 나타내는 상수라고 할 수 있습니다.
그리고 반 데르 발스의 인자 a와 b는 온도와 무관한 인자이면서, 실험적으로 결정된 값일 뿐이라고 합니다. a인자와 b인자는 https://en.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waals_constants_(data_page)에서 확인할 수 있었습니다.
확인해본 결과 극성 분자, 그리고 분자량이 큰 분자들이 큰 a인자 값을 갖는 것을 확인할 수 있었습니다. 그리고 b인자는 분자량이 큰 분자일수록 기체 분자 자체의 부피가 커지므로 b인자 값이 큰 경향을 확인할 수 있었습니다. 또한 a인자 값에 비해서 대부분의 기체가 비슷한 값을 갖는 것도 확인할 수 있었습니다.

참고 자료

보노. 2016. “06. 기체 상수의 결정”, 네이버블로그. (2021. 4. 2. 방문).
https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sujinmn&logNo=220768230144&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
위키백과. 2019. “물의 증기압”, 위키백과. (2021. 4. 11. 방문).
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AC%BC%EC%9D%98_%EC%A6%9D%EA%B8%B0%EC%95%95
강명희, 김혜선, 이정민. 2011. “웹 기반 과학실험 시뮬레이션의 학습성과에 대한 학습몰입과 인지적실재감의 예측력 규명”, KISS(Koreanstudies Information Service System). (2021. 4. 2. 방문).
http://kiss.kstudy.com/thesis/thesis-view.asp?key=2953960
wikipedia. 2021. “Van der Waals constants (data page)”, wikipedia. (2021. 4. 2. 방문).
https://en.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waals_constants_(data_page)