기체의 성질은 소방설비, 특히 가스계 소화설비, 압력용기 관리 등과 관련이 깊습니다. 이번 글에서는 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙을 고등학생도 이해할 수 있도록 쉽게 설명하고, 소방시설관리사 1차 시험 관점에서 정리해드립니다.
■ 보일의 법칙 (Boyle’s Law)
압력이 높아지면 기체의 부피가 줄어든다. 반대로 압력이 낮아지면 기체의 부피가 커진다. 단, 온도는 일정해야 함.
공식: P × V = 일정
예시:
풍선에 공기를 넣고 손으로 눌러보면 풍선이 납작해집니다. 이때 손으로 누른 압력이 올라가면서 풍선의 부피는 작아집니다. 이것이 보일의 법칙입니다.
소방에서는 고압가스용기(예: 이산화탄소 소화설비)에서 기체의 압력과 용기 용량을 계산할 때 적용됩니다.
■ 샤를의 법칙 (Charles’s Law)
기체의 온도가 올라가면 부피가 커진다. 반대로 온도가 내려가면 부피도 줄어든다. 단, 압력은 일정해야 함.
공식: V / T = 일정 (T는 절대온도, K 단위 사용)
예시:
겨울철에 바람 빠진 풍선을 따뜻한 실내에 가져오면 풍선이 조금씩 다시 빵빵해지는 것을 본 적 있나요? 온도가 올라가면 기체 부피도 커지기 때문에 그렇습니다.
소방에서는 온도 변화에 따른 소화용기 내부 압력의 증가 등을 예측할 때 활용됩니다.
■ 아보가드로의 법칙 (Avogadro’s Law)
같은 온도와 압력 조건이라면, 기체의 종류와 관계없이 기체의 부피는 그 속에 들어 있는 분자 수(몰 수)에 비례합니다.
공식: V / n = 일정 (n: 몰 수)
예시:
1몰의 산소, 1몰의 수소, 1몰의 이산화탄소는 모두 약 22.4L(0℃, 1기압 기준)의 부피를 가집니다. 기체의 종류가 달라도 몰 수가 같다면 부피도 같습니다.
소방에서는 혼합가스 계산, 질량 대비 부피 환산 등에서 쓰입니다. 특히 불활성가스계 소화약제의 저장량 계산 시 아보가드로의 법칙이 기반이 됩니다.
■ 정리 – 이상기체 상태방정식과의 연계
이 세 가지 법칙은 결국 하나의 공식으로 통합됩니다. 바로 이상기체 상태방정식입니다.
공식: PV = nRT
- P: 압력
- V: 부피
- n: 몰 수
- R: 기체 상수
- T: 절대 온도
이 공식은 시험에 매우 자주 등장하므로, 문제 유형을 여러 번 풀어보는 것이 좋습니다.
■ 마무리 요약
- 보일의 법칙: P↑ → V↓ (온도 일정)
- 샤를의 법칙: T↑ → V↑ (압력 일정)
- 아보가드로의 법칙: n↑ → V↑ (온도, 압력 일정)
- → 이 모두는 이상기체 법칙
PV = nRT으로 통합됨
다음 글에서는 이상기체 상태방정식을 활용한 계산 문제 풀이법을 소개하겠습니다. 계속해서 따라오시면 충분히 대비할 수 있습니다!
