물질의 상태
얼음은 왜 물에 뜨고, 높은 산에서는 왜 물이 90 °C에서 끓고, 주사기는 왜 누를수록 뻑뻑해질까요? 온도를 움직이며 입자가 결정으로 굳고, 액체로 미끄러지고, 기체로 흩어지는 모습을 보고, OpenStax와 NIST의 값으로 실제 가열 곡선과 보일 법칙을 따라가 봅니다.
이 과정에 대하여
비커에 −12 °C의 얼음을 담아 실험대에 놓았다고 해 봅시다. OpenStax가 보여 주는 결과는 이렇습니다. 10분 뒤 얼음은 0 °C까지 데워지고 조금 녹습니다. 30분이 더 지나면 더 많이 녹았지만 온도계는 여전히 0 °C입니다. 마지막 얼음이 사라져야 비로소 온도가 오르기 시작해 22.2 °C에 이릅니다. 그동안 얼음은 내내 방의 열을 흡수하고 있었고, 이 과정은 그 열이 어디로 갔는지 설명합니다.
여섯 단원은 물질이란 무엇인가, 고체·액체·기체의 입자, 녹음과 얼음, 증발과 끓음, 가열 곡선, 기체의 압력과 보일의 법칙입니다. 물 분자는 변하지 않습니다. H₂O는 얼음에서도 물에서도 수증기에서도 H₂O입니다. 달라지는 것은 분자 사이의 거리, 서로 붙드는 세기, 움직이는 속도입니다. 증발은 표면에서만 일어나고 어느 온도에서도 일어나지만, 끓음은 액체 전체에서 일어나고 특정한 온도에서 일어납니다. 가열 곡선은 실제 숫자로 풀어 봅니다. −15 °C의 얼음 135g을 120 °C의 수증기로 만드는 데 416kJ이 들고 그중 305kJ이 끓는 데만 쓰입니다. OpenStax는 단계마다 반올림해 416kJ이라 하지만 반올림하지 않은 값을 더하면 415.4kJ이고, 실험실 모형이 이 값을 보여 줍니다.
마지막 단원은 움직이는 분자로 기체의 압력을 설명합니다. 기체를 절반의 부피로 누르면 벽의 각 부분이 두 배 자주 부딪히므로 압력이 두 배가 됩니다. 연습 문제에서는 같은 온도에서 100kPa일 때 2.0L를 채운 기체를 0.50L로 누르면 새 압력이 얼마인지 구합니다.
시작하기 전에
첫 단원이 물질이란 무엇인가에서 시작하므로 화학을 처음 배워도 괜찮습니다. 가열 곡선 단원은 열을 몰당 킬로줄로 세기 때문에 화학 결합에서 몰 개념을 보고 오면 좋습니다. 보일 법칙 문제는 곱셈과 나눗셈만 있으면 풀 수 있습니다.
마치고 나면
질량과 무게를 구별하고, 고체·액체·기체 속 입자가 어떻게 움직이는지 설명하며, 얼음이 녹는 동안 0 °C에 머무는 이유를 말할 수 있습니다. 해발 3,100 m 리드빌에서 물이 약 90 °C에 끓는 까닭을 설명하고, 몰 수로 얼음을 녹이거나 물을 끓이는 데 드는 열을 계산하며, 보일 법칙으로 기체의 새 부피를 구할 수 있습니다.
- 1물질이란 무엇일까달에 간 우주 비행사의 무게는 지구에서의 6분의 1이지만, 질량은 조금도 변하지 않습니다.
- 2고체·액체·기체 속의 입자30 °C 공기 속 질소 분자는 초속 약 519 m로 움직입니다. 여객기보다 빠릅니다.
- 3녹음과 얼음방 공기로 데워지던 얼음 비커는 녹는 동안 30분 넘게 정확히 0 °C에 머물렀습니다.
- 4증발과 끓음해발 약 3,100 m인 미국 콜로라도주 레드빌의 기압은 약 68 kPa이고, 물은 약 90 °C에서 끓습니다.
- 5가열 곡선−15 °C 얼음 135 g을 120 °C 수증기로 만드는 데 416 kJ가 들고, 그 가운데 305 kJ는 끓이는 데만 쓰입니다.
- 6기체의 압력과 보일 법칙1662년 로버트 보일은 갇힌 공기를 부피의 4분의 1로 눌렀더니 압력이 약 4배가 된다는 것을 알아냈습니다.
이 과정의 출처 (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
확인한 날: 2026-10-17