제1장 기체의 성질(The properties of gases)

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목차

제1장 기체의 성질(The properties of gases)
Box 1.1 기체법칙과 날씨
1.3 기체혼합물 : 분압(partial pressure)
기체의 분자운동론
1.4 운동모델에 따른 기체의 압력
1.6 속력의 Maxwell 분포
1.7 확산(diffusion)과 분출(effusion)
1.8 분자간 충돌(collision)
실제기체
1.9 분자간 상호작용(interactions)
1.10 임계온도
1.11 압축인자(compression factor),
1.12 비리얼 상태방정식(virial equation of state)
1.12 van der Waals 상태방정식(van der Waals equation of state)
1.14 기체의 액화

본문내용

단위부피당 총 충돌수(충돌밀도) :
( 두 기체분자들의 반응속도에 대한 상한을 결정 )
평균상대속력 :
: 환산 질량(reduced mass)
: 환산 몰질량(reduce molar mass)
문제) 298K 온도에서 산소분자에 분자에 대한 수소분자의 평균상대속력은 얼마인가?
풀이) 분자질량
A분자 = B분자
: 한 분자의 충돌빈도(collision frequency)
:충돌밀도
문제) 25℃, 산소분자, 1bar 압력, 충돌빈도와 충돌밀도를 계산하라.
산소의 충돌지름은 0.361nm이다.
풀이)
분자수밀도,
충돌빈도,
충돌밀도,
평균자유행로(mean free path), : 한 분자가 충돌과 충돌사이 이동한 평균거리
: 충돌간 비행시간 ,
,
문제) 압력이 각각 a) 1bar일 때, b) 0.1 Pa일 때 25℃, 산소(충돌지름 0.361 nm)의 평균자유행로는 각각 얼마인가?
풀이)
a)
b)
실제기체
기체 분자 운동론의 완전기체 = 열역학의 이상기체
1.9 분자간 상호작용(interactions)
: 분자의 성질과 그들 사이 거리에 의존
분자간 인 력 : 한 분자와 다른 분자내 전자의 위치에 기인한 정전기적 상호작용
장거리 상호작용 : ,
분자간 반발력 : 외곽 전자운의 겹칩에 의한 정전기적 반발력
근거리 상호작용 :
기체 → 액체 → 고체
실제기체 → 이상기체 (낮은 압력, 높은 온도)
포텐샬에너지, : 한 분자를 거리에서 거리 까지
가져오는데 필요한 일의 음수값
( = 0 at )
> 0 이면 < 0 , 즉 인력
< 0 이면 > 0 , 즉 반발력이 주로 작용
= 0 이면 polt에서 최소점
= 0 at 조건에서 적분
=
=
: Lennard-Jones 6-12 potential eq.
= 0 일 때 ,
= 0 일 때
1.10 임계온도
20℃, 등온압축(피스톤), 부피감소
A점 : 기체, Boyle의 법칙을 따르면서 압력이 증가하다가
B점 : Boyle의 법칙을 심하게 벗어남.
C점 : 응축시작
D점 : 기-액 양 lever rule
E점 : 완전응축
F점 : 작은 부피감소, 높은 압력증가
상(相)전이, 평형증기압
: 맺음선 ( tie line )
그림 1.12 여러 온도에서 이산화탄소의
실험적인 등온선들. 임계등온선은 31.04℃
임계점 : 액체밀도 = 기체밀도
임계상수(critical constant) :
임계온도, 압력 : (순수 물질) 액체와 기체가
공존할 수 있는 최대 온도와 압력
이때 차지하는 몰부피를 임계 몰부피
초임계유체 : CO2 카페인 없는 커피
(액체 - 기체) 상(相)의 연속성
1.11 압축인자(compression factor),
: 이상기체에서 벗어나는 정도를
나타내는 보정인자 개념
1.12 비리얼 상태방정식(virial equation of state)
실험에 의한 상태방정식, 기체에 적용
비리얼계수(virial coefficient),
second, third, ..., 온도만의 함수
압력범위에 따라 근사식 사용
: 초기기울기
실제기체가 보다 높은 압력까지
이상기체 거동을 할 수 있는 온도
1.12 van der Waals 상태방정식(van der Waals equation of state)
분자크기에 의한 영향 :
: 0 K에서의 몰부피, (배제부피, excluded volume)
: 분자들사이 자유공간(free volume)
> 1 (항상)
분자간 인력에 의한 영향 :
분자사이의 인력 때문에 압력은 에 비례하는 양만큼 작아진다.
: 비례상수, . 양수, 액체의 증발열에 비례
, ( 가 크면 )
: van der Waals constants
()
: 곡선의 초기 기울기
온도가 충분히 낮을 때 :분자간 인력효과 지배적
점점 높아지면 : Boyle 온도,
충분히 높아지면
극히 높아지면
※
이상 온도 : 하나의 실근
이하 온도 : 3개 실근
> 인 온도 일정
평형증기압, : Maxwell equal-area rule
액체상태에서 압력감소 → 부피증가
A점 도달, 증기발생시작
일정 상태에서 증기 양이 증가함에 따라 부피증가
A점 도달하여 증기가 발생되지 않으면 AB 선을 따라
압력감소( ) : 과열된 액체(superheated liquid)상태, AB 구간)
기체상태에서 압력증가 → 부피감소
E점 도달, 응축시작
일정 상태에서 응축된 액체 양이 증가함에 따라 부피감소
E점 도달하여 응축되지 않으면 ED 선을 따라
압력증가( ) : 과포화 혹은 과냉각된 증기(subcooled vapor)상태 (ED 구간)
AB구간, ED구간 : metastable state ( nonequilibrium state )
ACE 직선 : tie line ( equilibrium state )
BCD 구간 : 로 물리적 의미가 없는 구간
van der Waals eq. :
임계점 에서 1 개 실근 : 곡선 수평 변곡점
①
②
③
①, ②, ③ 식에서 , ,
, ,
: 임계압축인자
정리 ,
, , : 환산온도, 환산압력, 환산부피
(reduced temp, pressure, volume)
: 환산상태방정식(reduced equation of state)
( 기체물질의 고유상수를 포함하지 않음)
※ the principle of corresponding states(대응상태의 원리) : 두가지 파라미터를 포함하는 상태방정식을 따르는 모든 기체는 환산온도와 환산압력이 같으면, 같은 환산부피를 갖는다.
: 알려진 기체의 값 추정시 유용
문제) 수소분자가 1 L 용기내에 5몰 들어있다.
수소기체가 25℃에서
a) 이상기체법칙에 따르는 경우,
b) van der Waals 방정식에 따르는 경우,
=0.2476 . =0.02661
두 경우에 대한 압력 차를 구하라.
풀이)
1.14 기체의 액화
분자의 평균속력 ∝
Joule-Thomson 계수 : > 0 이면
압력 감소(팽창) ⇒ 온도감소
(대부분 기체 실온이하 온도, 인력항 우세 )
Joule-Thomson 효과
: 반전온도(inversion temp.)
: (대부분 기체 실온이상, 척력항 우세 )
Linde 냉동기

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기체의 성질,   기체,   분자운동론,   임계온도,   성질,   기체법칙,   기체의 압력