열역학 법칙을 배우는 예비고2입니다
이상기체 상태방정식에서
이상기체의 가정으로 몇 가지가 나와 있는데 그중
'퍼텐셜 에너지를 고려하지 않는다. = 분자 간 인력을 무시할 수 있다.'
는 식의 서술이 되어 있습니다
제가 아는 중력 퍼텐셜 에너지가 아닌 것 같은데 (분자 간 인력에 의한 퍼텐셜 에너지?라고 서술이 되어 있기도 함)
퍼텐셜 에너지를 무시하는 것과 분자 간 인력을 무시하는 것이 무슨 상관인가요
그리고 기체의 내부 에너지를 기체 분자의 운동E + 퍼텐셜E로 정의하던데
그럼 중력 퍼텐셜 에너지는 고려하지 않는 것인가요
일단 이상기체(ideal gas)라는것은 pv=nRT를 만족시키는 정말 이상적인 기체를 말해요. 이것이 성립하기 위해선 분자들 끼리의 상호작용이 없다는 가정이 필요합니다. 여기서 상호작용이라는것이 바로 분자간의 인력을 의미합니다. 여기서 조금더 깊게 들어가면 레너드 존슨 force등 거리의 -6, -12승으로 나타나는 상호작용이 있어요. (이게 기본적인 내용이고, 실질적인 답으로 간다면 -밑에 댓글0
그리고 이런것 말고도 여러 상호작용이 실제적으로 존재하지만 거의 학부수준에서조차 잘 안하는것이고 실제로 분자들의 상호작용을 막 공부하고 그러진 않아요.
정말 많은 도움 됐습니다 감사합니다! 분자간 인럭도 중력과 같은 보존력이라 퍼텐셜로써 저장되는 것이네요!
일단 퍼텐셜 에너지중 중력적 위치에너지는 질량이 있을 때 필요한 개념입니다. 근데 이상기체는 질량이라는 것을 고려하지 않습니다. 적어도 고등학교수준에선요. 그래서 중력적 위치에너지는 무시해도 됩니다.
분자간의 인력을 고등학교 수준에서 넘은 질문이라 어쩔수 없이 고급 내용을 가져 올 수 밖엔 없는데 분자간의 인력은 보존력(conservative force)라서 이 보존력에 반해서(그 보존력을 거슬러 : 즉 반대방향으로) 일을 할 경우 위치에너지가 생깁니다. 이상기체가 아닌 실제 기체에선 엄연히 분자간의 상호작용(보존력)이 존재하고 이것이 존재한다면 위치에너지가 있을 수밖엔 없습니다. 이건 중력적 위치에너지가 아닌 분자들간의 상호작용이고 중력으로 서로 당기지 않습니다.(기체들간의 질량 무시: 고등학교수준)
정리하면: 고딩수준에서 이상기체에서 질량을 고려 안하기에 분자들간의 중력적 위치에너지 무시(사실 중력상수도 매우작아서 질량이 있어도 무시가능), 분자간의 인력이 원래 있는데(real gas), 없다하자(ideal gas:이상기체) 분자간의 힘은 보존력이고 이것이 있음 무조건 퍼텐셜 에너지도 있음 그러나 그걸 무시했기에 머텐셜 에너지도 없는것
그리고 내부에너지 (고등학교 수준에선 3/2nRT= U로 기체의 온도에만 상관 있는 물리량이지만 실질적으로 내부에너지는 그것보다 훨씬 더 많은 것들이 고려 됩니다. :대학수준 예를 들어 chemical potential, entropy 변화와 관련된 것, 진동에너지 회전운동에너지 등 )
이상기체는 기체의 운동에너지만 있기에 U=3/2RT , 여기서 조금 더 대학수준으로 가면 2분자인 경우 회전운동에너지 포함 시켜 5/2 , 진동에너지까지 포함 7/2 ~ 등으로 확장됩니다만 이건 대학가서 통계물리학에서 배우시길
설명자체가 이해 안될것 같지만, 이게 원래 그런 내용입니다. PV=NRT라는 보일,샤를 등의 수많은 실험식을 총 망라해서 적용시킨 아주 이상적인 상황이라 제약도 많고, 한명이 만든 개념이 아니라 여러 과학자들의 개념을 합친것이라 두서없고 이해하기 힘들겁니다. 일단 이정도 이해하고 대학와서 자세하게 공부하길
퍼텐셜 에너지는 보존력에 의해 생깁니다. 질량에 의해 발생하는 중력과 전하에 의해 발생하는 전자기력을 생각하면 됩니다. 이 두가지 보존력이 중력퍼텐셜과 전기퍼텐셜을 만듭니다. 근데 이상기체에서는 질량 0 을 가정하기 때문에 중력에 영향 받지 않는 물질로 다룹니다. 마찬가지로 전하가 0 으로 가정하여 외부에서 오는 전자기력에 영향을 받지 않도록 가정합니다.(물론 실제로 전하를 가지므로 서로 반발하고 완탄충돌을 하긴함) 따라서 중력도 전자기력도 없는 상태이므로 퍼텐셜 역시 없습니다.
왜 이런 있지도 않는 상황을 가정하는걸까? -> 그것은 기체로서의 성질에 포커스를 맞추고 그 현상을 이해하기 위함입니다.