보일의 법칙 가상실험

아래 링크에서 보일의 법칙 가상실험을 해 볼 수 있어

sciencej1.cafe24.com/html5/boyleslaw/boyleslaw.html

 

주사기 끝을 막고 피스톤을 누르면 어느정도 눌리다가 더 이상 눌리지 않는 이유는 눈에 안보이는 입자(기체분자)들이 끊임없이 운동하고 있기 때문이야. 입자들이 주사기 피스톤과 충돌하게 되면 안쪽에 압력이 생기게 되기 때문이지

 

이 압력이 바깥쪽에서 누르는 압력과 같아질 때 주사기 피스톤은 멈추게 되고, 주사기 안에 공간이 생기게 되는 거야

 

외부에서 누르는 압력이 더 커지면 당연히 주사기 안쪽 부피는 줄어 들겠지. 그런데 계속해서 줄어 들까?

그렇지는 않아.

주사기 내부 부피가 줄어들면 들수록 피스톤 천장에 충돌하는 입자의 횟수가 늘어나면서 내부 압력이 커지게 되거든

그래서 주사기 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아지는 곳에서 결국 멈추게 되지

 

동영상도 잠깐 보면서 비교해 봐

 

 

이걸 보일이라는 과학자가 실험을 통해 증명했어

 

외부 압력이 2배가 되면 내부 압력도 2배가 될때 까지 부피가 줄어들게 되는데, 그 부피가 딱 1/2이 되는 순간 내부 압력도 2배로 된다는 걸 알아낸 거야.

그래서 외부 압력이 4배가 되면 부피가 1/4로 줄어 들어. 왜 1/4이냐 하면 그래야 내부 압력도 4배가 되거든

위 가상실험에서 입자들이 위 아래로만 운동한다고 가정하고 관찰해 보면 부피가 1/2로 줄어들면 충돌횟수가 2배가 된다는 걸 알 수 있을 거야.

 

보일의 법칙이란 결국 외부 압력이 커지는 만큼 부피는 반비례 해서 줄어든 다는 거지

 

위 가상실험을 통해 실험해 보도록 해.

이것 저것 실험해 보면서 보일 처럼 규칙을 찾아 보면 어떨까?

 

입자 모형을 우리가 교실에서 뛰어 다니는 사람모형으로 바꿔서 생각해 보면 재미있어

옆반과 우리반 사이에 있는 칠판은 학생들이 한번 충돌할 때 마다 조금씩 뒤로 밀린다고 가정해 보자.

옆반학생들이 앞뒤로 뛰어다니면서 칠판과 충돌하면 칠판은 우리 교실쪽으로 점점 밀려 올거야. 주사기 피스톤 처럼. 그러면 계속 우리 교실쪽으로 밀려 들어올까?

그렇지는 않지. 왜냐하면 우리반 학생들도 교실 앞뒤로 뛰어 다니면서 칠판과 충돌할 테니까. 결국 옆반이 충돌하는 횟수와 우리반이 충돌하는 횟수가 같아질 때 쯤 칠판이 멈추게 되겠지.

그런데 옆반 아이들이 다른반 아이들을 데리고 와서 2배로 민다고 가정하면, 칠판은 우리 교실 쪽으로 점점 밀려 오겠지.

그럼 우리 교실의 앞뒤로 뛰어 다니는 학생들이 칠판에 충돌하는 횟수도 점점 늘어날거야. 왜냐하면 교실의 칠판과 뒤쪽 거리가 짧아 지니까.

 우리반 친구들 숫자가 늘어나지 않았지만, 칠판에 처음보다 2배로 충돌하게 될 때쯤 그럼 칠판은 멈추게 될 거야

언제 처음보다 2배로 충돌하게 될까? 그렇지 교실의 부피가 1/2로 줄어 든다면 똑같은 속력으로 뛰어 다녀도 아까 보다 칠판에 충돌하는 횟수가 2배가 될 거야.

즉 외부 압력이 2배가 되면 교실의 부피가 1/2로 줄게 되고, 그때 내부 압력도 2배가 된다는 걸 알 수 있어

 

입자는 한방향으로만 움직이지 않아, 위 가상실험에서 실제입자모형으로 바꿔서 관찰해 보는 것도 재미있을 거야.

 

한가지 더! 가상실험을 할 때, 왼쪽에 주사기 피스톤을 확대해 놓은 초록색 피스톤을 마우스를 이용하여 이동시킬 수 있다는 거 아니? 실제 실험 처럼 한번 초록색 피스톤을 강제로 이동시키고, 부피고 어떻게 변하는지 관찰해 보는 것도 재미있는 실험이 될거야.

 

중요한 건 언제 피스톤이 멈추냐는 거지, 정답은 안쪽과 바깥쪽의 압력이 같아질 때 까지야. 한번 실험해 보면서 이해해 봐.

 

 

샤를의 법칙도 비슷해. 샤를의 법칙 가상실험은 아래 링크에서 할 수 있어

sciencelovestudy.tistory.com/29