2. 이상기체법칙(Ideal Gas Law)

보일은 피스턴과 추를 도입하여 기체의 압력을 측정하고, 일정한 온도 하에서 압력과 부피는 반비례함을 보였다. 기체 압력과 부피 사이의 관계는 이미 Towneley 와 Power 에 의해 제기된 상태였으며, 보일이 실험적으로 이를 증명하였다(1662년). 

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위 그래프는 보일의 실험 결과를 그래프로 그린 것이다. 보일의 법칙은 일정 온도 하에서 기체의 압력 p 와 부피 V 가 pV=const. 를 만족한다는 것이다. 

샤를은 일정 압력 하에서 기체의 부피와 온도 사이의 관계를 연구하였지만, 결과를 발표한 적이 없다. 1801 년에 돌턴은 어떤 기체가 100 ℃ 에서 차지하는 부피 V₁₀₀ 와 0 ℃ 에서 차지하는 부피 V₀ 사이의 관계를 다음과 같이 실험적으로 정리하였다. 

1802 년에 게이뤼삭도 같은 결과를 얻어 발표하면서 공로를 샤를에게 돌렸다. 이 법칙은 일견 단순히 기체의 팽창율 k 를 측정한 것에 불과해 보인다. 그러나 돌턴의 실험 결과에 의하면, 기체의 종류에 상관없이 k 의 값이 동일하다. 이를 정리하면, 일정 압력 하에서 기체의 부피는 온도에 따라 아래 그래프처럼 변화한다.

실험적으로는 온도가 낮아지면서 액화 현상이 일어난다는 사실이 1877 년에 발견되었다. 이를 무시하고 실험 결과를 낮은 온도까지 연장하면 기체 종류에 상관 없이 -273.15 ℃ 에서 한 점으로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 섭씨 온도 스케일을 사용하면서 영점을 이 점으로 이동시켜 0 K (Kelvin 의 이름을 따라 명명)로 정의한 것이 절대 온도이다. 기체계의 절대 온도를 T 라 하면, 샤를의 법칙은 V ∝ T 로 표현된다.

게이뤼삭의 법칙은 부피가 고정되어 있을 때, 기체의 압력 p 와 온도 T 는 비례한다는 법칙이다. 즉, p ∝ T 이다.

아보가드로의 가설(1811)은 기체의 부피는 기체를 구성하는 분자의 개수 N 에 비례하며, 이는 기체의 종류에 무관하다는 것이다. 

 

이들의 업적은 궁극적으로 이상기체법칙으로 정리된다. n mol 의 이상기체라면, 

이고, 이때 R 은 보편기체상수(universal gas constant)이다. n mol 의 이상기체 내에 존재하는 기체 분자의 개수를 N 이라 하면 n = N / N_A 이다. 여기서 N_A는 아보가드로 숫자이다. 이를 볼츠만 상수를 써서 표현하면 아래와 같다.

이상기체는 그 이름 때문에 희귀할 것 같은 인상을 준다. 그러나, 우리가 일상에서 마주치는 모든 기체들이 이상기체에 매우 가깝게 행동한다.