[2023학년도 수능특강 독서] (과학 기술 6) '대응 상태의 원리'-지문 해설, 대비 변형 문제!!

 

 

 

 

※ 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

 

과학에서는 각 상황을 설명하는 개별의 이론이나 법칙도 중요하지만 가능한 한 많은 상황에 대해 하나의 이론이나 법칙으로 간단하게 설명을 가능하게 하는 것이 더 큰 가치를 갖는 경우가 많다. 물질의 온도, 압력, 부피 등의 열역학적 변수를 이용하여 계(system)를 ⓐ기술하는 학문인 열역학에서도 예외가 아니다. 열역학적 변수들의 상관관계에서 대응 상태의 원리(The law of corresponding state)가 이에 해당한다. 여기서 ‘대응’의 의미는 열역학적 변수를 특정한 값으로 ⓑ환산함을 의미하며, 대응 상태의 원리는 다양한 종류의 기체의 열역학적 상태를 단순하게 설명할 수 있게 해 준다.

다음과 같은 간단한 실험을 생각해 보자. 실린더에 기체를 채우고 피스톤을 누르면 실린더 내부의 부피가 감소하면서 압력이 증가한다. 또한 실린더 부피를 일정하게 유지한 채 온도를 높이게 되면 실린더 내부 압력이 증가한다. 계를 이루는 기체의 압력, 몰당 부피, 절대 온도의 상관관계를 방정식으로 표현한 것을 기체의 상태 방정식이라 하는데, 이상 기체*의 경우 소위 이상 기체 상태 방정식인 P(압력)

Vm(몰당 부피)=R(기체 상수)

T(절대 온도)에 의해 열역학적 상태를 기술할 수 있다. 기체 상수는 기체의 종류와 상관없이 동일한 값을 지니므로 보편 기체 상수라고도 지칭한다. 실린더 내의 분자의 수가 매우 적어서 계의 부피에 분자 자체의 부피가 기여하는 바가 매우 작고 분자 간의 상호 작용이 무시할 만하면 이상 기체 상태방정식은 매우 유용하게 쓰일 수 있다. 그러나 실제 기체에서는 이러한 이상 기체 상태 방정식의 정확성이 떨어지게 된다. 따라서 이상 기체 상태 방정식을 실제 기체의 분자 간의 상호 작용 및 분자의 자체 부피를 고려하여 보정한 반데르발스 상태 방정식과 같은 기체의 상태 방정식들이 제시되어 왔다.

- 이하 생략 -

 

 

 

[해설]

■ 대응 상태의 원리

 

{해제}

이 글은 기체의 열역학적 상태를 단순하게 표현할 수 있는 대응 상태의 원리를 설명하고 있다. 기체 분자 간의 상호 작용과 자체 부피가 없는 이상 기체는 열역학적 상태를 이상 기체 상태 방정식으로 간단하게 표현할 수 있다. 실제 기체는 이상 기체와 다른 성질을 나타내는데 실제 기체의 부피와 이상기체에서 기대되는 부피의 비가 압축 인자이다. 한편 기체의 압력을 높여 가면 기체가 액화되는 현상은 특정 온도 이상에서 일어나며 이 온도를 임계 온도라 한다. 임계 온도에서의 압력과 몰당 부피를 각각 임계 압력, 임계 몰당 부피라 하며, 이를 이용해 환산 변수를 구하고 환산 압축 인자를 구할 수 있다. 환산 압력에 대한 환산 압축 인자는 기체의 종류에 상관없이 거의 동일한 값을 보이며 반데르발스 상태 방정식도 기체의 종류에 상관없이 환산 변수만으로 이루어진 식이 된다.

 

{주제}

대응 상태의 원리와 반데르발스 방정식에 대한 대응 상태의 원리의 적용

 

 

 

 

 

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