공기의 부피에 대한 '샤를의 법칙'이란?

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공기의 부피에 대한 ‘샤를의 법칙’

 

 

공기를 가득 채운 팽팽한 고무풍선을 냉장고에 넣어두었다가 꺼내보면, 부피가 훨씬 줄어 있다. 그러나 바깥에 내놓으면 고무풍선은 다시 본래의 부피로 팽창한다. 이것은 공기의 부피가 온도에 따라 팽창하고 수축하기 때문이다. 

 

프랑스의 발명가이자 수학자인 쟈크 샤를(Jacques Charles, 1746-1823)은 1783년 8월 27일, 형제 로버츠와 함께 수소 가스를 채워 사람이 탈 수 있도록 만든 최초의 기구(氣球 hydrogen balloon)에 올랐다. 그들이 제작한 기구는 파리 상공 900m까지 올라갔다. 그 뒤 샤를은 약 3,000m 높이까지 오르는 기구를 만들어 타기도 했다. 샤를이 수소 기구를 만든 10일 후에는 몽골피에(Etienne Mongolfier, 1745-1799)가 뜨거운 공기를 넣은 기구(hot-air balloon)를 처음으로 띄워 올렸다.

 

기체의 성질에 대해 큰 흥미를 가졌던 샤를은 ‘보일의 법칙’에 뒤이어 샤를의 법칙(Charles' Law)을 발견했다. 보일과 샤를 두 과학자의 법칙은 학교에서 기체의 성질을 배울 때 직접 실험해보고 있다.

 

“압력이 일정할 경우, 기체의 부피는 절대온도에 비례한다. 다시 말해, 기체의 온도가 2배이면, 부피도 2배로 된다.”

 

이것을 수식으로 나타내면,

 

V₁/T₁ = V₂/T₂

​

V₁은 절대온도 T₁일 때의 부피

V₂는 절대온도 T₂일 때의 부피 (절대온도 참조)

 

​기체의 이러한 성질은 다른 두 과학자인 프랑스의 게이뤼삭(Joseph Louis Gay-Lussac)과 영국의 돌턴(John Dalton)이 1802년과 1801년에 각각 독립적으로 발견하여 발표했으나, 샤를이 약 20년 앞서 발견했기 때문에 영예는 샤를에게 돌아갔다.

 

화학시간에 기체의 부피에 대해 공부할 때는 샤를의 법칙, 보일의 법칙, 그리고 '아보가드로의 법칙'을 함께 배운다. 보일과 샤를의 법칙을 통합하여 하나의 수식으로 나타내면,

 

pV/T = 상수(常數 constant) 가 되고(p는 기압, V는 부피, T는 절대온도),

 

아보가드로의 법칙과 보일-샤를의 법칙을 모두 연관하면,

 

​pT/nt = 상수 가 된다(n은 기체분자의 수).

 

 

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- 쟈크 샤를 -

샤를의 법칙은 보일의 법칙보다 약 100년 뒤에 발견되었다. 샤를은 그의 형과 함께 1783년에 기구에 수소를 넣어 파리 상공 1.000m 높이까지 직접 타고 올라갔고, 나중에는 알프스의 최고봉보다 높은 6,400m까지 올라가는데 성공했다. 그는 기구를 타고 공기의 성분과 지자기 등에 대한 조사도 했다.

 

 

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