보일-샤를의 법칙

누르면 좁아지고, 데우면 부풀어요

주사기 입구를 손가락으로 막고 피스톤을 꾹 누르면 안쪽 공기 부피가 줄어들어요. 밖에서 세게 누를수록 기체 알갱이들이 좁은 공간에 갇히며 서로 부딪히는 횟수가 늘어나죠. 온도가 일정할 때 압력이 높아지면 기체의 부피가 줄어드는 현상, 이것이 바로 보일의 법칙이에요.

반대로 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 마법처럼 다시 팽팽하게 펴져요. 기체 알갱이들이 열을 받아 에너지를 얻으면 더 빠르고 힘차게 움직이거든요. 압력이 같을 때 온도가 올라가면 기체의 부피가 커지는 원리, 이것을 샤를의 법칙이라고 불러요.

우리 눈에 보이지 않는 공기 알갱이들은 쉼 없이 날아다니는 작은 공 같아요. 밖에서 억지로 짓누르면 얌전히 웅크리지만, 열을 가해 에너지를 불어넣으면 사방으로 날뛰며 자기 자리를 넓히려는 성질을 가져요.

압력, 부피, 온도의 삼각관계

일상에서는 압력이나 온도 중 하나만 바뀌는 경우가 드물어요. 예를 들어 하늘 높이 올라가는 기상 관측용 풍선을 떠올려 볼게요. 높은 하늘로 올라갈수록 공기가 희박해져 주변 기압(압력)은 낮아지고, 고도가 높아질수록 기온(온도)도 뚝 떨어져요.

압력이 낮아지면 풍선은 커지려 하고, 온도가 내려가면 풍선은 작아지려 해요. 이때 두 가지 변화를 한꺼번에 계산해 주는 공식이 바로 보일-샤를의 법칙이에요. 기체의 압력(P)과 부피(V)를 곱한 뒤 이를 온도(T)로 나누면, 어떤 상황에서도 그 결과는 항상 일정한 값을 유지해요.

즉 압력과 부피, 온도는 셋 중 하나가 변하면 나머지도 균형을 맞추기 위해 함께 움직이는 삼각관계에 있어요. 압력을 두 배로 높이고 온도도 두 배로 높이면, 부피는 원래 상태를 그대로 유지하게 돼요.

조금 더 정확히 말하면

이 법칙을 계산할 때 우리가 평소 쓰는 섭씨온도(℃)를 그대로 넣으면 엉터리 결과가 나와요. 영하의 온도를 대입하면 부피가 마이너스가 되는 이상한 일이 벌어지기 때문이죠. 그래서 기체를 다룰 때는 모든 분자의 움직임이 완전히 멈추는 가상의 온도인 영하 273.15℃를 0도로 잡은 절대온도(단위는 K, 켈빈)를 반드시 사용해야 해요.

또한 실제 세상의 기체들은 입자 자체의 크기도 있고 서로 끌어당기는 힘도 있어서 완벽하게 이 공식에 맞아떨어지지는 않아요. 하지만 일상적인 기압과 온도에서는 실제 공기도 이 공식과 거의 똑같이 움직여요. 과학자들은 이를 바탕으로 모든 기체의 성질을 종합한 이상기체 상태방정식이라는 더 큰 지도로 발전시켰답니다.