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가스기능장 기체의 유동(흐름)현상 — 이상기체 법칙과 부분압력·등적변화 계산

혼합기체의 전체압력은 각 성분기체의 분압 합으로 표현하는 달톤의 법칙으로 다룰 수 있다. 이상기체 가정 하에서는 상태방정식 PV=nRT를 이용해 압력·질량·부분압력 계산을 수행한다. 등적 과정에서는 압력과 절대온도가 비례하며 안전밸브 작동 온도 계산에 이 관계를 적용한다.

2026-10-23 기준 · 가스기능장 대시보드

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시험에 이렇게 나온다

출제기준 단원 「기체의 유동(흐름)현상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.

묻는 꼴문제 수무엇을 묻나
법칙의 적용 한계 판단1달톤의 법칙이 이상기체 조건에서만 정확한 이유를 묻는다
밀도·온도로 압력 계산1밀도와 온도를 이용해 이상기체의 압력을 계산하는 절차를 묻는다
등적 가열 시 밸브 작동온도 계산1등적 변화에서 압력비로부터 안전밸브 작동 온도를 구하는 계산을 묻는다

뜻

달톤의 법칙은 혼합기체의 전체압력이 각 성분의 분압 합과 같다는 원리로 설명된다. 이 법칙은 이상기체를 전제로 정교하게 성립하므로 실제기체에서는 높은 압력이나 낮은 온도에서 분자 간 상호작용으로 인해 오차가 발생할 수 있다.

이상기체 상태방정식 PV=nRT는 몰수와 온도·압력·부피 사이의 관계를 제공한다. 밀도 ρ와 몰질량 M을 이용하면 P = (ρRT)/M 형태로 변형하여 압력을 직접 계산할 수 있다. 이 공식을 이용하면 주어진 온도와 밀도로부터 압력을 산출할 수 있다.

등적(정적 부피 유지) 변화에서는 기체의 압력은 절대온도에 비례한다는 게이-뤼삭 법칙이 적용된다. 따라서 동일한 부피에서 P1/T1 = P2/T2 관계를 사용하여 온도 상승 시 압력 변화를 계산할 수 있다. 이 관계는 안전밸브 작동 시점의 온도 산정에 유용하다.

혼합기체의 부분압력은 각 성분의 몰수로 직접 계산하거나 전체압력에 몰분율을 곱하는 방식으로 구할 수 있다. 또한 이상기체 모델에서는 내부에너지가 온도에만 의존한다는 성질을 전제로 여러 열역학 계산이 단순화된다.

예제

혼합기체 부분압력 계산 예: 질소 14g(0.5mol)과 수소 4g(2mol)을 4L 용기에 넣어 온도 100℃(373K)가 되었을 때, 수소의 부분압력은 P_H2 = n_H2 R T / V로 계산하여 약 15.3atm이 된다.

대표 기출 3문항

Dalton의 법칙에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 모든 기체에 대해 정확히 성립한다.
  2. 혼합기체의 전압은 각 기체의 분압의 합과 같다.
  3. 실제기체의 경우 낮은 압력에서 적용할 수 있다.
  4. 한 기체의 분압과 전압의 비는 그 기체의 몰수와 전체 몰수의 비와 같다.
정답과 해설 보기

정답 ① · 달톤의 법칙에 대한 옳지 않은 설명을 고르는 문제이다. 달톤의 분압 법칙은 혼합기체의 전압이 각 성분 기체의 분압의 합과 같다는 것으로, 이상기체에 대해서만 엄밀하게 성립한다.

달톤의 법칙은 이상기체에 대해 성립하며, 실제기체는 분자 간 인력 등으로 인해 정확히 성립하지 않는다.

산소 봄베에 산소를 충전하고 봄베 내의 온도와 밀도를 측정하니 20℃, 0.1㎏/L이었다. 용기내의 압력은 얼마인가? (단, 산소는 이상기체로 가정한다.)

  1. 0.75기압
  2. 75.08기압
  3. 0.075기압
  4. 7.5기압
정답과 해설 보기

정답 ② · 이상기체 상태방정식으로 봄베 내 압력을 구하는 계산 문제이다. 상태방정식을 밀도 형태로 바꾸면 P = ρRT/M이 된다.

이상기체 상태방정식 PV=nRT를 사용하여 밀도와 온도로 압력을 계산하면 약 75기압이 나온다.

내압 시험압력 350kg/cm²(절대압력)의 오토클레이브(autoclave)에 20℃에서 수소 100kgcm²(절대압력)을 충전하였다. 오토클레이브의 온도를 점차 상승시키면 결국 안전밸브(작동압력은 내압시험압력의 8/10로한다)에서 수소가스가 분출할 것이다. 이 때의 온도(℃)는 얼마인가? (단, 수소는 이상기체로 가정한다.)

  1. 547℃
  2. 647℃
  3. 720℃
  4. 820℃
정답과 해설 보기

정답 ① · 이상기체 법칙 중 게이-뤼삭 법칙(등적 변화)을 사용합니다. 압력의 비는 절대 온도의 비와 같습니다 (P1/T1 = P2/T2).

이상기체 등적 변화에서 압력비는 절대온도비와 비례하므로 P1/T1=P2/T2 공식을 활용하여 계산한다.

자주 묻는 물음

달톤의 법칙은 언제까지 성립하나?
달톤의 법칙은 이상기체를 가정했을 때 정확히 성립하므로 실제기체는 높은 압력이나 낮은 온도에서 분자 간 인력과 분자 부피 때문에 오차가 발생할 수 있다고 본다.
밀도와 온도가 주어지면 압력을 어떻게 구하나?
밀도 ρ와 온도 T, 몰질량 M을 알면 이상기체 상태방정식을 변형한 P = (ρRT)/M 공식을 사용하여 압력을 계산한다고 본다.
용기 부피가 일정할 때 압력 증가와 온도 관계는 무엇인가?
등적 과정에서는 압력과 절대온도가 비례하므로 P1/T1 = P2/T2 관계를 이용하여 원하는 상태의 온도나 압력을 구한다고 본다.
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