물질의 상태변화

실험목적

분자들끼리 반데르발스 인력이 작용하는 경우의 기체의 압력과 부피, 온도와의 관계를 알아본다. 이를 통하여 기체, 액체, 고체의 상태변화가 일어나는 양식을 이해한다.

이론

물질의 상태변화

반데발스 힘은 분자간의 거리가 일때 가장 안정된 상태가 되도록 그 거리보다 멀어지면 당기는 힘이, 가까워지면 밀어내도록 작용한다. 그러나 당겨주는 힘은 거리가 멀어지면 급격하게 줄어들어 분자의 규모 몇 배 정도에서 거의 힘을 느끼지 못한다. 따라서 분자의 밀도가 작거나 온도가 높으면 이상기체와 비슷한 행태를 보일 것이다.

이제 계의 온도가 점점 낮아져서 계의 에너지가 줄어들게 되면 분자들 사이의 거리가 부근으로 유지되는 보다 안정된 상태로 가게 된다. 이에 따라 전체 분자가 차지하는 체적이 급격하게 줄어들고, 인접한 분자와 자리바꿈 정도의 변화만이 일어나는 엉킨 상태가 된다. 분자끼리의 거리가 비교적 일정하여 압력에 따른 부피의 변화가 거의 없고 유동성을 가지고 있는 이러한 상태를 액체(liquid)라고 한다.

액체는 비록 분자간의 거리가 가까워져서 기체에 비하여 밀도가 훨씬 크지만 각각의 분자가 비교적 큰 값의 내부 에너지를 가지고 있어 끊임없이 서로 자리를 바꾸고, 또한 그것을 담는 용기에 따라 형태가 달라지는 기체와 비슷한 성질도 가지고 있다. 기체나 액체가 가지고 있는 유동성 때문에 이들을 통털어서 유체(fluid)라고 하나 둘의 열적인 성질은 크게 다르다.

한편 액체 상태에서 더 온도를 내리면 분자들의 내부 에너지가 더욱 줄어들어 분자간의 거리가 가까이로 유지되고 분자들의 상대적인 위치가 고정된 고체(solid) 상태가 된다.

아래 프로그램은 반데발스의 힘이 작용하는 입자 7개로 기체, 액체, 고체의 상태를 그런대로 흉내 내고 있다. 온도 값을 변화시켜서 이러한 각 상태가 이루어지는 것을 잘 살펴보자.