기체 분자의 운동 이론이란?

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기체 분자의 운동 이론

 

 

고무풍선 속에 바람을 불어넣고 입구를 단단히 막은 후, 그 풍선을 온도가 낮은 냉장고에 넣어두면 풍선의 부피는 점점 줄어든다. 그러나 풍선을 따뜻한 곳에 두면 부풀어 올라 부피가 증가한다. 이것은 기체의 부피가 온도의 영향을 받는다는 것을 의미한다. 한편 주사기 바늘구멍을 막고, 피스톤을 누르면, 주사기 안의 기체가 압축되어 부피가 줄어든다. 이것은 공기의 부피가 압력의 영향을 받기 때문이다. 

 

18세기가 되도록 온도와 압력의 변화에 따라 기체의 부피가 왜 변하는지, 그 이유를 잘 알지 못했다. 네덜란드의 수학자이며 과학자인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli 1700-1782)는 16세 때 스위스로 가서 의학 공부를 하였으나, 차츰 물리학을 연구하게 되었다. 그는 기체의 부피가 온도와 압력에 따라 변하는 이유를 ‘충돌 이론’으로 설명했다. 즉,

 

“기체는 빠른 속도로 끊임없이 운동하는 작은 분자들로 이루어져 있다. 기체 분자의 이러한 운동은 무질서하게 일어난다. 운동하는 기체의 분자들은 담겨있는 용기(容器)의 벽과 충돌하여 압력이 된다. 뜨거운 기체의 분자는 더 빠르게 충돌하여 큰 압력을 나타낸다.”

 

 

베르누이의 이러한 ‘충돌 이론은 120년이 지난 뒤, 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)이 정밀한 수학적 이론으로 증명했다. 맥스웰은 기체의 분자 운동을 매우 간단하게 설명했다.

 

“기체의 분자는 공간 속에서 자유롭게 운동한다. 분자들은 서로 충돌하거나 용기의 벽과 부딪혀도 분자가 가진 운동 에너지는 감소하지 않는다(완전 탄성 충돌). 기체의 운동 에너지는 온도가 상승하면 커지고, 온도가 내려가면 감소한다.”

 

탄성이 좋은 고무공을 마루에 수직으로 떨어뜨리면 처음에는 높이 튀었지만 그 다음부터는 차츰 튀는 높이가 낮아지다가 마지막에는 마루 위에 멈추게 된다. 이것은 고무공의 탄성이 공기와 마루면과의 마찰에 의해 운동 에너지가 차츰 감소한 때문이다. 그러나 공기의 분자 운동은 분자끼리 충돌하고 벽과 충돌해도 에너지가 약화되지 않으므로 이를 '완전 탄성 충돌'이라 한다.

 

베르누이와 맥스웰이 주장한 이러한 분자 운동 이론은 ‘기체의 운동 이론’(kinetic theory of gases), ‘기체의 분자 운동 이론’, 또는 간단히 ‘운동 이론’이라 부른다. 이 운동 이론은 기체만 아니라 액체와 고체에도 적용된다. 즉 고체와 액체의 부피도 온도가 높아지면 팽창한다(물의 경우 조금 다름). 다니엘 베르누이는 여러 과학 분야에 걸쳐 많은 연구를 했기 때문에 프랑스 과학아카데미로부터 10차례나 상을 받았다. 그가 쓴 <유체역학>은 특히 유명하다.

 

 

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