샤를의 법칙: 두 판 사이의 차이

==위키피디아 영문판 번역본==

{{정리 필요 문단|날짜=2018-09-02}}

 

샤를의 법칙(부피의 법칙으로서도 알려져 있는)은 기체들에 열이 가해졌을 때 어떻게 팽창하는지를 설명하는 실험기체법칙이다. 현재 샤를의 법칙의 설명은 이렇다: 건조한 기체의 샘플에의 압력이 일정하게 유지된다면 절대온도와 부피는 정비례한다. 이러한 정비례 관계를 이렇게 쓰여질 수 있다. 이 법칙은 온도가 증가할 때 기체가 어떻게 팽창하는지를 설명해준다. 역으로 온도의 감소는 부피의 감소를 이끌 것이다. 두 가지 다른 환경 하에서 같은 물질을 비교하기 위해, 이 법칙은 이렇게 쓰여질 수 있다. 이 방정식은 절대 온도가 증가하면, 기체의 부피 또한 비례하여 증가한다는 것을 보여준다

 

 

이 법칙은 1780년대 그의 발표하지 않은 것 중 원래의 법칙을 만들어낸 과학자 Jacques Charles의 이름을 따서 지어졌다. 1801년 10월 2일과 30일 사이에 발표된 네 개의 논문 중 두 개에서, 존 돌턴은 그가 연구했던 모든 기체와 증기가 두 개의 고정된 온도 사이에서 같은 양에 의해 팽창 된다라는 것을 실험으로 입증하였다. 프랑스의 자연철학자 조셉 루이스 게이-뤼삭은 1802년 1월 31일 프랑스 국가 기관에 발표에서 발견을 확증하였다. 비록 그 발견을 Jacques Charles에 의해 1780년대 발표하지 않은 것으로 공을 돌릴지라도 말이다. 이 기본 원리는 이미 Guillaume Amontons와 Francis Hauksbee에 의해 1세기 전 설명되었다. 돌턴은 그 법칙이 만약 온도가 끓는 점보다 높다면 일반적으로 모든 기체, 휘발성 액체의 증기에 적용된다는 것을 보여준 첫 사람이었다. 게이-뤼삭은 동의했다. 두 개의 물의 온도 측정에서 고정된 온도에서 한 실험들로 게이-뤼삭은 부피와 온도가 관련된 그 방정식이 일차함수라는 것을 보여주는 것은 불가능했다. 수학적 기반으로, 게이-뤼삭의 논문은 선형 관계를 설명하는 어떤 법칙에 대한 설명도 허락하지 않았다. 돌턴과 게이-뤼삭의 주요 결론은 수학적으로 이렇게 표현될 수 있다. 은 100에서 주어진 샘플의 기체에 의해 차지되는 부피이다; 는 같은 샘플의 기체가 0에서 차지하는 부피이다; 그리고 는 모든 기체가 일정한 압력에서 같은 값을 가지는 상수이다. 이 방정식은 온도를 포함하지 않는다. 따라서 샤를의 법칙으로서 알려져 있는 것과 아무런 관련이 없다. 게이-뤼삭의 값(1⁄2.6666)은 이전 돌턴의 증기의 값과 동일하고, 현재 값인 1/2.7315와 현저하게 가까운 수치이다. 게이-뤼삭은 그의 동료 공화당 시민 J에 의해 발표되지 않은 것에 있던 이 방정식에 대한 믿음을 주었다. 견고한 기록의 부재로, 부피와 온도와 관련있는 이 기체 법칙은 Charles의 이름을 따서 지을 수 없었다. 돌턴의 측정들은 온도에 관하여 고정된 물의 온도에서의 부피를 측정하는 것뿐만 아니라 2개의 중간 지점에서도 측정함으로써 게이-뤼삭보다 더 많은 영역을 가졌다. 그 시기에 고정된 지점들 사이에 동일한 비율로 나눈 수은 온도계의 부정확성을 인지하지 못하고, 증기의 경우에 “ 어떤 탄성력이 있는 유체는 열의 180도(화씨온도)에 의해 1370개 또는 1380개의 부분들로 거의 동일한 방식으로 팽창 한다는 논문2에 포함하여 돌턴은 기체에 대해 그 것을 확증할 수 없었다. 그의 증기에 대한 결론은 샤를의 법칙으로서 잘못 알려진 것이었다. 그리고 심지어 게이-뤼삭의 법칙으로 잘못 알려졌다. 하지만 돌턴의 2번째 법칙으로 옳지 않다. 그의 첫 번째 법칙은 부분 압력에 대한 법칙이었다.

 

 

샤를의 법칙은 기체의 부피가 특정한 온도(게이-뤼삭에 따르면 –266.66)또는 -273.15에 0까지 내려갈 것이라는 것을 나타내는 것처럼 보인다. 게이-뤼삭은 그 법칙은 낮은 온도에서는 적용되지 않는다는 그의 서술은 명백했다. 하지만 내가 이 마지막 결론이 압축된 증기가 탄성력 있는 상태에서 완전히 남아있는 한 사실이 되지 않을 수도 있다는 것을 언급할 지도 모른다; 그리고 이것은 그들이 액체상태를 띠도록 하는 경향이 있는 압력에 저항하는 것을 가능하게 하기 위해서 그들의 온도가 충분히 높을 것을 요구한다. 게이-뤼삭은 액체 공기에 대한 경험이 없었다. 그러나 켈빈 온도로 “절대 0도“는 원래 1852년 톰슨이 그 스스로 설명한 열역학 제2법칙으로 정의되었다. 톰슨은 이것이 샤를의 법칙의 0부피와 같다고 상정하지 않고 단지 샤를의 법칙이 얻을 수 있는 최소의 온도를 제공해준다 생각하였다. 이 두 가지는 루트비히 볼츠만의 엔트로피에 대한 통계학적 시각으로 동등함이 보여 진다(1870). 그러나, 샤를은 또한 말했다. 건조된 기체의 고정된 질량의 부피는 0에서 1 오르거나 떨어질 때마다 1/273배 로 증가하거나 감소한다.

 

 

기체 분자 운동론은 기체의 거시적인 특성과 관련이 있다. 예를 들어 압력과 부피는, 기체, 특히 질량과 분자의 속도를 구성하는 분자들의 미세한 특성들에 관련이 있다. 운동론으로부터 샤를의 법칙을 얻기 위해서, 온도에 대한 미세한 정의를 가지는 것을 필수적이다 : 이것은 기체분자의 평균 운동론에 비례하는 온도로서 편리하게 취급될 수 있다. 이러한 정의 하에서, 샤를의 법칙 증명은 거의 사소한 것이다. 이상기체법칙에 동일한 운동론은 평균 운동론에 PV와 관련이 있다.