이상기체란?

우리는 열역학이나 유체역학 등 유체를 다루는 학문에서 이상기체란 용어를 접하게 됩니다. 왜 이상기체란 개념을 알아야 하는 걸까요? 그 이유는 기체의 유동 이나 열 해석을 위해 복잡한 성질의 실제기체를 단순화할 필요가 있기 때문입니다. 공조냉동에서는 공기조화장치에서 공기의 온도와 습도를 조절하기 위한 목적으로 습공기를 다루며 냉동장치 내 냉매가 가스 상태가 되기도 하기 때문에 이상기체의 특성을 이해하고 있어야 합니다.

이상기체는 말 그대로 이상적인 기체 입니다. 현실에는 없다는 뜻이죠. 실제 기체와의 차이점은 실제 기체에 비해 분자간에 상호작용이 없다는 것입니다. 분자간에는 인력이나 반발력이 작용하는데 이러한 힘의 작용이 없다는 의미입니다. 또한 이상기체 자체는 질량과 에너지를 가지고 있지만 부피는 가지고 있지 않습니다. 그리고 이상기체의 분자는 완전탄성체로써 충돌 후 에너지의 손실이 없습니다. 분자간의 인력이 없기 때문에 온도와 압력이 변화할지라도 고체나 액체로 상태변화를 하지 않습니다. 또한 분자간 인력이 없으므로 분자는 불규칙한 직선운동만 합니다. 이러한 이상기체의 특성을 전제 조건으로 할 때 아래와 같은 이상기체 상태방정식이 설명됩니다.

PV = nRT

P: 압력(N/m2) V: 체적(m3) n: 몰수 (입자수 6.02×10^23) R: 일반기체상수(8.31J/mol.K) T: 절대온도(K)

상기 수식은 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙을 종합한 결과입니다.

보일의 법칙은 온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피는 반비례한다는 것입니다.

샤를의 법칙은 압력이 일정할 때 기체가 차지하는 부피는 절대온도에 비례한다는 것입니다.

아보가드로의 법칙은 0도(절대온도 273K), 1기압 표준상태에서 기체 1몰의 부피는 그 종류에 상관없이 22.4L이고 이를 대입하면 기체상수 R은 0.082가 됩니다.

이상기체 상태방정식은 공조냉동기술에 있어서 기본적으로 이해하고 있어야 하는 개념입니다. 예를 들어 덕트를 흐르고 있는 공기가 갑자기 좁은 터널을 지나갈 때 공기의 부피는 작아지고 압력은 상승하게 됩니다. 유속은 빨라지고 마찰손실이 커지겠지요. 이렇게 기본적인 이상기체의 특성을 이해하면 유체 해석에 도움이 됩니다.