6단원 기체의 성질

VI. 기체의 성질

자전거 바퀴에 공기를 넣으면 바퀴가 단단해지고, 높은 산에 올라가면 과자 봉지가 빵빵하게 부푼다. 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 다시 펴지고, 냉장고에 넣어 둔 빈 페트병은 살짝 찌그러진다. 서로 달라 보이는 이 현상들은 모두 눈에 보이지 않는 기체 입자의 운동으로 설명할 수 있다.

이 강의는 교과서의 순서에 맞추어 다음 흐름으로 진행한다.

압력의 뜻을 안다 → 기체의 압력을 입자 충돌로 설명한다 → 온도가 일정할 때 압력과 부피 관계를 찾는다 → 압력이 일정할 때 온도와 부피 관계를 찾는다.

그림 6-1 · 단원 한눈에 보기 — 누르면 원본 크기로 열린다.

왼쪽의 네 단계는 차례로 쌓인다. 1·2단계에서 "압력이 무엇이고 기체는 왜 압력을 갖는가"를 배우고, 3·4단계에서 "기체의 부피는 언제, 왜 변하는가"를 배운다. 오른쪽의 물 뿜는 인형 질문은 4단계까지 모두 배운 뒤에 답할 수 있다.

학습 목표

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문제 발견하기

뜨거운 물을 부었을 뿐인데 왜 물이 뿜어져 나올까?

물 뿜는 인형은 흙을 구워 만든 작은 인형으로, 몸 아래쪽에 아주 작은 구멍이 뚫려 있고 속은 비어 있다. 이 인형 위에 뜨거운 물을 부으면 구멍에서 물줄기가 쭉 뿜어져 나온다.

이상한 점이 두 가지 있다.

• 위에서 부은 뜨거운 물은 인형 겉을 타고 흘러내릴 뿐 인형 안으로 들어가지 않는다. 그런데 뿜어져 나오는 물은 어디에서 왔을까?
• 아무도 인형을 누르지 않았는데, 무엇이 물을 구멍 밖으로 밀어낸 것일까?

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1. 기체의 압력

1.1 압력이란 무엇일까?

같은 힘인데 왜 결과가 다를까?

눈이 쌓인 길을 운동화로 걸으면 발이 푹푹 빠지지만, 넓은 설피나 스키를 신으면 잘 빠지지 않는다. 몸무게, 즉 눈을 누르는 힘은 거의 같은데 결과가 다르다. 차이는 힘을 받는 면적에 있다.

압력의 단위는 힘의 단위 N을 면적의 단위 m²로 나눈 N/m²이며, 이것을 Pa(파스칼)이라고도 한다. 1 Pa은 1 m²의 면적에 1 N의 힘이 수직으로 작용할 때의 압력이다.

식을 보면 압력이 커지는 방법은 두 가지이다.

그림 6-2 · 압력은 힘과 면적으로 정해진다 — 누르면 원본 크기로 열린다.

왼쪽 칸은 면적은 같고 힘만 2배로 한 경우이고, 오른쪽 칸은 힘은 같고 면적만 작게 한 경우이다. 스펀지가 더 깊이 눌린 쪽이 압력이 더 큰 쪽이다. 실험에서 비교할 때는 한 번에 한 가지 조건만 바꾸어야 무엇 때문에 결과가 달라졌는지 알 수 있다.

압력을 크게 또는 작게 이용하기

1.2 기체의 압력

기체 입자는 쉬지 않고 움직인다

물질의 상태 변화 단원에서 배운 것처럼, 기체는 입자 사이의 거리가 매우 멀고 입자가 모든 방향으로 매우 빠르게, 자유롭게 움직인다. 기체를 용기에 담으면 움직이던 입자들은 끊임없이 용기 벽에 부딪힌다.

입자 하나가 벽에 부딪힐 때마다 벽은 아주 작은 힘을 받는다. 셀 수 없이 많은 입자가 계속 부딪히므로, 이 작은 힘들이 모여 벽 전체를 바깥쪽으로 미는 힘이 된다.

그림 6-3 · 기체의 압력은 입자의 충돌에서 생긴다 — 누르면 원본 크기로 열린다.

그림에서 굵은 화살표가 위, 아래, 왼쪽, 오른쪽 모두를 향하는 것에 주목하자. 고무풍선에 공기를 불어 넣으면 한쪽으로만 늘어나지 않고 둥글게 부푸는 까닭이 바로 기체의 압력이 모든 방향으로 같이 작용하기 때문이다.

기체의 압력은 언제 커질까?

벽이 받는 힘은 "얼마나 자주 부딪히는가"와 "얼마나 세게 부딪히는가"로 정해진다. 부피가 같은 용기에서 비교하면 다음과 같다.

그림 6-4 · 기체의 압력을 크게 하는 두 가지 — 누르면 원본 크기로 열린다.

가운데 상자는 입자의 빠르기는 그대로이지만 수가 2배라 충돌 횟수가 늘었다. 오른쪽 상자는 입자 수는 그대로이지만 화살표가 길다. 즉 입자가 빨라져 더 자주, 더 세게 부딪힌다.

생활 속 기체의 압력

물 뿜는 인형과 기체의 압력

물 뿜는 인형 속에는 물만 있는 것이 아니라 공기도 들어 있다. 인형 속 공기 입자가 고인 물의 표면을 계속 밀고 있으므로, 이 공기의 압력이 바깥 공기의 압력보다 커지면 아래쪽 구멍으로 물이 밀려 나간다. 그러면 "인형 속 공기의 압력은 언제 커질까?"라는 질문이 남는다. 그 답은 2절에서 찾는다.

1단계 스스로 정리하기

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2. 기체의 압력 및 온도와 부피 관계

기체는 고체나 액체와 달리 부피가 쉽게 변한다. 그렇다면 기체의 부피를 바꾸는 조건은 무엇일까? 이 절에서는 두 가지 조건을 차례로 살펴본다.

• 온도를 일정하게 두고 압력을 바꿀 때
• 압력을 일정하게 두고 온도를 바꿀 때

두 관계 모두 "한 가지 조건만 바꾸고 나머지는 일정하게" 두어야 비교할 수 있다. 그리고 두 경우 모두 기체의 양(입자 수)은 일정하다고 생각한다.

2.1 압력과 부피 관계

주사기로 확인하기

공기가 든 주사기의 입구를 막고 피스톤을 누르면 피스톤이 쑥 들어가다가 점점 누르기 힘들어진다. 손을 떼면 피스톤이 다시 밀려 나온다. 압력 센서를 연결하면 피스톤을 누를수록 주사기 속 공기의 압력이 커지는 것을 숫자로 확인할 수 있다.

온도를 일정하게 유지하면서 주사기 속 공기의 압력과 부피를 측정한 결과의 예이다.

압력이 2배가 되면 부피는 1/2, 압력이 3배가 되면 부피는 1/3이 된다. 그리고 압력과 부피를 곱한 값은 언제나 30으로 일정하다.

입자 모형으로 설명하기

피스톤 위에 추를 하나씩 더 올리면, 기체에 작용하는 압력이 커진다. 이때 용기 속 입자에게는 어떤 일이 일어날까?

그림 6-5 · 온도가 일정할 때 압력과 부피 — 누르면 원본 크기로 열린다.

1. 추를 올리면 피스톤이 기체를 누르는 압력이 커진다.
2. 피스톤이 내려가 기체의 부피가 줄어든다.
3. 같은 수의 입자가 더 좁은 공간에 모이므로 입자 사이의 거리가 가까워진다.
4. 입자가 벽까지 가는 거리가 짧아져 벽에 부딪히는 횟수가 늘어난다. 그래서 기체의 압력도 커져, 늘어난 바깥 압력과 다시 균형을 이룬 곳에서 피스톤이 멈춘다.

이 과정에서 온도는 일정하므로 입자의 운동 빠르기는 변하지 않는다. 또 입자가 새로 생기거나 사라지지 않으므로 입자의 수, 크기, 질량도 그대로이다. 변한 것은 입자 사이의 거리와 충돌 횟수뿐이다.

그래프로 나타내기

압력을 가로축, 부피를 세로축으로 하여 그래프를 그리면 오른쪽 아래로 휘어 내려가는 곡선이 된다.

그림 6-6 · 압력과 부피는 반비례한다 — 누르면 원본 크기로 열린다.

그래프를 읽을 때 기억할 점은 다음과 같다.

• 압력이 커질수록 부피가 줄어드는 반비례 곡선이다. 곧은 직선이 아니다.
• 곡선 위 어느 점을 골라도 압력과 부피를 곱하면 같은 값(그림에서는 6)이 나온다. 점선으로 그린 직사각형의 넓이가 모두 같다.
• 압력이 아무리 커져도 부피가 0이 되지는 않으므로 곡선은 축에 점점 가까워질 뿐 원점을 지나지 않는다.

생활 속 압력과 부피 관계

2.2 온도와 부피 관계

온도가 바뀌면 부피도 바뀐다

일정한 양의 기체는 압력이 일정할 때 온도가 높아지면 부피가 늘어나고, 온도가 낮아지면 부피가 줄어든다.

예를 들어 추운 겨울날 바깥에서 들고 다니던 헬륨 풍선은 쭈글쭈글하게 힘이 없다. 그런데 따뜻한 실내로 들어오면 풍선 속 기체의 온도가 높아지면서 부피가 늘어나 풍선이 다시 팽팽해진다. 풍선에서 기체가 새로 들어간 것이 아니라, 원래 있던 기체의 부피가 늘어난 것이다.

탐구 해 보기 - 입자 모형으로 나타내기

압력이 일정한 상태에서 주사기에 공기가 들어 있다고 하자. 피스톤은 자유롭게 움직일 수 있다. 다음 두 경우에 주사기 속 공기의 부피와 입자의 운동을 그림으로 나타내 보자.

• (가) 주사기 속 공기의 온도를 낮출 때
• (나) 주사기 속 공기의 온도를 높일 때

그릴 때 다음 두 가지를 꼭 고려한다.

입자 운동으로 설명하기

그림 6-7 · 압력이 일정할 때 온도와 부피 — 누르면 원본 크기로 열린다.

세 원통 모두 피스톤 위에 추가 1개뿐이다. 즉 기체에 작용하는 압력은 일정하다.

• 온도를 높이면: 입자 수는 변하지 않지만 입자가 활발하게 운동하여 용기 벽에 세게 충돌한다. 피스톤을 밀어 올리는 힘이 커져 피스톤이 올라가고, 기체의 부피가 늘어난다. 입자 사이의 거리도 멀어진다.
• 온도를 낮추면: 입자 수는 변하지 않지만 입자가 둔하게 운동하여 용기 벽에 약하게 충돌한다. 피스톤을 밀어 올리는 힘이 약해져 피스톤이 내려가고, 기체의 부피가 줄어든다. 입자 사이의 거리도 가까워진다.

그래프로 나타내기

압력이 일정할 때 어떤 기체의 온도와 부피를 측정한 결과의 예이다.

온도가 10 °C 오를 때마다 부피가 10 mL씩 늘어난다. 같은 간격으로 온도가 오르면 같은 양만큼 부피가 늘어나므로, 그래프는 오른쪽 위로 향하는 직선이 된다.

그림 6-8 · 온도와 부피는 일정하게 함께 늘어난다 — 누르면 원본 크기로 열린다.

스스로 확인하기

2.3 기체의 부피 변화 예 조사하기

탐구 03 - 뜨거운 국 그릇이 혼자 미끄러진 까닭은?

뜨거운 국을 담은 그릇을 매끈한 식탁 위에 올려놓았더니, 아무도 밀지 않았는데 그릇이 스르르 미끄러지는 일이 있다. 그릇 바닥과 식탁 사이에 갇힌 얇은 공기층이 뜨거운 그릇에 데워지면서 부피가 늘어나 그릇을 아주 살짝 들어 올리고, 그 결과 그릇과 식탁 사이의 마찰이 작아져 쉽게 미끄러진 것이다. 이것은 온도와 부피 관계의 예이다.

이처럼 생활 속 기체의 부피 변화는 두 관계 중 하나로 분류할 수 있다. 분류하는 방법은 간단하다.

1. 그 현상에서 무엇이 변했는지 찾는다. 바깥 압력이 변했는가, 기체의 온도가 변했는가?
2. 압력이 변했으면 압력과 부피 관계, 온도가 변했으면 온도와 부피 관계이다.

그림 6-9 · 생활 속 기체의 부피 변화 — 누르면 원본 크기로 열린다.

스토리보드로 정리하기 - 과자 봉지는 왜 부풀까?

탐구 03에서는 기체의 부피 변화 예 하나를 골라 그 원리를 설명하는 짧은 동영상을 만든다. 동영상을 만들기 전에 장면을 순서대로 정리한 스토리보드를 쓴다. 과자 봉지를 예로 들면 다음과 같이 구성할 수 있다.

2단계 스스로 정리하기

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문제 해결하기

물 뿜는 인형에서 물이 최대한 멀리 뿜어져 나오려면 어떻게 해야 할까?

처음에 제시한 문제를 이제 공기, 부피, 압력, 온도라는 말을 사용하여 해결해 보자.

1. 물은 어떻게 인형 안으로 들어갈까?

그림 6-10 · 물 뿜는 인형의 원리 — 누르면 원본 크기로 열린다.

1. 뜨거운 물에 담근다. 인형 속 공기의 온도가 높아져 부피가 늘어난다. 늘어난 공기 일부가 구멍을 통해 거품이 되어 빠져나간다.
2. 찬물로 옮긴다. 인형 속에 남은 공기의 온도가 낮아져 부피가 줄어든다. 공기가 줄어든 만큼 빈자리가 생기고, 바깥 물이 구멍을 통해 인형 안으로 들어온다.

2. 물은 어떻게 뿜어져 나올까?

3. 인형 위에 뜨거운 물을 붓는다. 인형 속 공기가 데워져 입자 운동이 활발해지고 부피가 늘어나려 한다. 공기가 인형 속 물의 표면을 세게 밀어, 아래쪽에 고인 물이 구멍 밖으로 뿜어져 나온다.

결국 물 뿜는 인형은 압력이 거의 일정한 상태에서 온도가 변하면 기체의 부피가 변한다는 성질을 이용한 장난감이다. 인형 속 공기가 데워져 부피가 늘어나려 할 때 그 공기가 물을 미는 힘, 즉 기체의 압력이 물을 밀어낸다.

3. 물을 더 멀리 뿜게 하려면?

생활에 적용해 보기 - 재활용품으로 물 뿜는 장난감 만들기

뚜껑이 있는 단단한 플라스틱 병이나 음료수 캔으로도 물 뿜는 장난감을 만들 수 있다.

1. 병의 아래쪽에 작은 구멍을 하나 뚫는다. (송곳은 반드시 선생님이나 보호자와 함께 사용한다.)
2. 병을 뜨거운 물이 든 큰 그릇에 잠시 담가 병 속 공기를 데운 뒤, 뚜껑을 닫고 얼음물로 옮겨 구멍으로 물이 들어오게 한다.
3. 병을 꺼내 위쪽에 따뜻한 물을 부으면, 병 속 공기의 부피가 늘어나 구멍으로 물이 뿜어져 나온다.
4. 구멍의 크기, 구멍의 위치, 담그는 물과 붓는 물의 온도를 하나씩 바꾸어 가며 물이 가장 멀리 나오는 조건을 찾는다.

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스스로 평가하기

모든 문항은 사지선다형이다. 네 보기 중 가장 알맞은 답 하나를 선택하고 정답 확인을 눌러 채점하자. 각 문항의 정답·해설 보기에서 풀이를 확인할 수 있다.

핵심 개념 연결하기

압력 → 기체의 압력(입자 충돌) → 압력과 부피 관계(온도 일정) / 온도와 부피 관계(압력 일정) → 생활 속 예 → 물 뿜는 인형

그림 6-11 · 기체의 성질 개념 연결 지도 — 누르면 원본 크기로 열린다.

참고할 용어 — 일정한 면적, 작용하는 힘, 기체 입자, 충돌, 기체, 부피, 압력, 온도 — 를 모두 넣어 한 문단으로 연결해 보자.

1. 개념 연결 기체의 압력과 부피 변화에 대한 설명으로 옳은 것은?

A. 기체의 압력은 위쪽 방향으로만 작용한다. B. 온도가 일정할 때 압력을 높이면 기체 입자의 크기가 작아져 부피가 줄어든다. C. 압력이 일정할 때 온도를 높이면 입자 운동이 활발해져 기체의 부피가 늘어난다. D. 기체의 부피가 변하면 기체 입자의 수도 반드시 함께 변한다.

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C. 압력이 일정할 때 온도를 높이면 입자 운동이 활발해져 기체의 부피가 늘어난다.

해설: 기체의 압력은 입자가 모든 방향으로 운동하며 벽에 충돌하여 생기므로 모든 방향으로 작용한다. 부피가 변할 때 입자의 수와 크기는 변하지 않고, 입자 사이의 거리와 운동 빠르기, 충돌이 달라진다.

자주 헷갈리는 내용

그림 6-12 · 변하는 것과 변하지 않는 것 — 누르면 원본 크기로 열린다.

시험에서 가장 많이 나오는 함정은 진한 칸, 즉 입자의 수·크기·질량이다. 압력을 바꾸든 온도를 바꾸든 이 세 가지는 절대 변하지 않는다. 변하는 것은 "입자가 얼마나 빠른가, 얼마나 떨어져 있는가, 벽에 얼마나 자주 또는 세게 부딪히는가"이다.

최종 확인 문제

1. 압력의 뜻 압력에 대한 설명으로 옳은 것은?

A. 물체의 질량을 부피로 나눈 값이다. B. 일정한 면적에 수직으로 작용하는 힘으로, 힘의 크기를 힘을 받는 면적으로 나눈 값이다. C. 물체가 이동한 거리를 걸린 시간으로 나눈 값이다. D. 힘을 받는 면적이 넓을수록 커지는 값이다.

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B. 일정한 면적에 수직으로 작용하는 힘으로, 힘의 크기를 힘을 받는 면적으로 나눈 값이다.

해설: 압력 = 힘의 크기 ÷ 힘을 받는 면적이다. 같은 힘이면 면적이 넓을수록 압력은 작아진다. 질량 ÷ 부피는 밀도, 거리 ÷ 시간은 속력이다.

2. 압력 비교 빈 페트병을 스펀지 위에 세운 경우를 ㉠, 물을 가득 채운 같은 페트병을 세운 경우를 ㉡, 물을 가득 채운 같은 페트병을 뚜껑이 아래로 가게 거꾸로 세운 경우를 ㉢이라고 하자. 스펀지가 받는 압력이 가장 큰 경우와 그 까닭으로 옳은 것은? 뚜껑 쪽이 바닥 쪽보다 좁다.

A. ㉠ － 병이 가벼워 스펀지를 누르는 힘이 가장 작기 때문이다. B. ㉡ － 병의 바닥이 넓어 힘이 넓게 퍼지기 때문이다. C. ㉢ － 누르는 힘은 ㉡과 같지만 힘을 받는 면적이 가장 작기 때문이다. D. 세 경우 모두 같다 － 페트병의 크기가 같기 때문이다.

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C. ㉢ － 누르는 힘은 ㉡과 같지만 힘을 받는 면적이 가장 작기 때문이다.

해설: ㉡과 ㉢은 무게가 같아 스펀지를 누르는 힘이 같다. 거꾸로 세운 ㉢은 좁은 뚜껑으로 스펀지와 닿아 면적이 작으므로 압력이 가장 크다. ㉠은 힘이 작아 압력이 가장 작다.

3. 압력 계산 무게가 40 N인 상자의 바닥 면적이 0.5 m²이다. 이 상자가 바닥에 작용하는 압력은?

A. 20 Pa B. 40.5 Pa C. 0.0125 Pa D. 80 Pa

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D. 80 Pa

해설: 압력 = 힘 ÷ 면적 = 40 N ÷ 0.5 m² = 80 N/m² = 80 Pa이다. 힘과 면적을 곱하거나 더하지 않도록 주의한다.

4. 연필 누르기 연필의 양 끝을 두 손가락으로 마주 대고 누르면 뾰족한 쪽 손가락이 더 아프다. 그 까닭으로 옳은 것은?

A. 뾰족한 쪽 손가락이 받는 힘의 크기가 훨씬 더 크기 때문이다. B. 두 손가락이 받는 힘은 같지만 뾰족한 쪽은 힘을 받는 면적이 작아 압력이 크기 때문이다. C. 뭉툭한 쪽은 압력이 작용하지 않기 때문이다. D. 뾰족한 쪽은 힘을 받는 면적이 넓어 압력이 크기 때문이다.

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B. 두 손가락이 받는 힘은 같지만 뾰족한 쪽은 힘을 받는 면적이 작아 압력이 크기 때문이다.

해설: 연필이 정지해 있으므로 양쪽 손가락이 받는 힘의 크기는 같다. 힘을 받는 면적이 작은 뾰족한 쪽의 압력이 더 커서 더 아프게 느껴진다.

5. 기체의 압력 기체의 압력이 생기는 까닭으로 옳은 것은?

A. 기체 입자가 용기 바닥에만 가만히 쌓여 있기 때문이다. B. 기체 입자가 서로 끌어당겨 한곳에 뭉치기 때문이다. C. 운동하는 기체 입자가 용기 벽에 충돌하여 벽에 힘을 작용하기 때문이다. D. 기체 입자의 크기가 용기보다 크기 때문이다.

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C. 운동하는 기체 입자가 용기 벽에 충돌하여 벽에 힘을 작용하기 때문이다.

해설: 기체 입자는 모든 방향으로 끊임없이 운동하며 용기 벽에 부딪힌다. 이 충돌로 일정한 면적에 작용하는 힘이 기체의 압력이다.

6. 축구공 찌그러진 축구공에 공기 주입기로 공기를 계속 넣었다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

A. 축구공 속 공기 입자의 수가 점점 많아진다. B. 축구공 속 공기의 압력이 점점 커진다. C. 축구공 속 공기의 압력은 모든 방향으로 작용한다. D. 축구공 속 공기 입자가 벽에 충돌하는 횟수가 점점 적어진다.

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정답·해설 보기

D. 축구공 속 공기 입자가 벽에 충돌하는 횟수가 점점 적어진다.

해설: 공기를 넣으면 입자 수가 늘어나 벽에 충돌하는 횟수가 많아지고, 그래서 압력이 커져 공이 부풀고 단단해진다. 충돌 횟수는 적어지는 것이 아니라 많아진다.

7. 압력과 부피 온도가 일정할 때 일정한 양의 기체에 작용하는 압력을 높이면 기체의 부피는?

A. 줄어든다. B. 늘어난다. C. 변하지 않는다. D. 늘어났다가 다시 처음으로 돌아온다.

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A. 줄어든다.

해설: 온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피는 반비례한다. 압력이 커지면 부피가 줄어든다.

8. 계산 온도가 일정할 때 1기압에서 부피가 6 L인 기체에 2기압의 압력을 작용하면 부피는?

A. 12 L B. 6 L C. 3 L D. 2 L

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C. 3 L

해설: 압력 × 부피가 일정하므로 1 × 6 = 2 × (부피), 부피 = 3 L이다. 압력이 2배가 되면 부피는 1/2이 된다.

9. 표 해석 온도가 일정할 때 어떤 기체의 압력과 부피를 측정한 표이다. ㉠에 알맞은 값은?

압력(기압)	1	2	4
부피(mL)	80	40	㉠

A. 10 B. 20 C. 30 D. 160

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B. 20

해설: 압력 × 부피 = 1 × 80 = 80으로 일정하다. 4기압일 때 부피는 80 ÷ 4 = 20 mL이다.

10. 주사기 입자 모형 일정한 온도에서 공기가 든 주사기의 입구를 막고 피스톤을 누르거나 당겼다. 옳은 것만을 고른 것은?

ㄱ. 피스톤을 누르면 공기 입자 사이의 거리가 멀어진다.

ㄴ. 피스톤을 당기면 공기 입자가 벽에 충돌하는 횟수가 적어진다.

ㄷ. 피스톤을 누르거나 당겨도 공기 입자의 수는 변하지 않는다.

A. ㄱ B. ㄱ, ㄴ C. ㄱ, ㄷ D. ㄴ, ㄷ

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D. ㄴ, ㄷ

해설: 피스톤을 누르면 부피가 줄어 입자 사이의 거리가 가까워지므로 ㄱ은 틀리다. 당기면 부피가 늘어 충돌 횟수가 적어지고, 입구를 막았으므로 입자 수는 어느 경우에도 그대로이다.

11. 압력 센서 압력 센서를 연결한 주사기에 공기를 넣고 입구를 막은 뒤 피스톤을 천천히 눌렀다. 온도는 일정하다. 주사기 속 공기의 압력과 부피 변화로 옳은 것은?

A. 압력은 커지고 부피는 줄어든다. B. 압력과 부피가 모두 커진다. C. 압력은 작아지고 부피는 줄어든다. D. 압력과 부피가 모두 변하지 않는다.

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정답·해설 보기

A. 압력은 커지고 부피는 줄어든다.

해설: 피스톤을 누르면 공기의 부피가 줄어 입자가 벽에 더 자주 충돌하므로 압력 센서의 값이 커진다. 온도가 일정할 때 압력과 부피는 반대로 변한다.

12. 그래프 모양 온도가 일정할 때 일정한 양의 기체의 압력(가로축)과 부피(세로축)의 관계를 나타낸 그래프의 모양으로 옳은 것은?

A. 원점을 지나며 오른쪽 위로 향하는 직선 B. 가로축과 나란한 직선 C. 오른쪽 아래로 휘어 내려가는 반비례 곡선 D. 오른쪽 위로 휘어 올라가는 곡선

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정답·해설 보기

C. 오른쪽 아래로 휘어 내려가는 반비례 곡선

해설: 압력이 커질수록 부피가 작아지고 압력 × 부피가 일정하므로 반비례 곡선이 된다. 곡선은 축에 가까워질 뿐 원점을 지나지 않는다.

13. 온도와 부피 일정한 압력에서 일정한 양의 기체의 온도와 부피 관계에 대한 설명으로 옳은 것은?

A. 온도가 낮을수록 입자 수가 적어지므로 부피가 줄어든다. B. 온도가 높을수록 입자의 크기가 커지므로 부피가 늘어난다. C. 온도가 낮을수록 입자가 용기 벽에 약하게 충돌하므로 부피가 늘어난다. D. 온도가 높을수록 입자가 활발하게 운동하므로 부피가 늘어난다.

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정답·해설 보기

D. 온도가 높을수록 입자가 활발하게 운동하므로 부피가 늘어난다.

해설: 온도가 높아지면 입자 수와 크기는 그대로이고 입자 운동이 활발해져 벽에 세게 충돌하므로 부피가 늘어난다. 온도가 낮아져 약하게 충돌하면 부피는 늘어나는 것이 아니라 줄어든다.

14. 그래프 읽기 압력이 일정할 때 어떤 기체의 부피가 10 °C에서 283 mL, 20 °C에서 293 mL, 30 °C에서 303 mL였다. 같은 규칙으로 변한다면 60 °C에서의 부피는?

A. 313 mL B. 333 mL C. 566 mL D. 606 mL

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B. 333 mL

해설: 10 °C 오를 때마다 부피가 10 mL씩 일정하게 늘어난다. 60 °C는 30 °C보다 30 °C 높으므로 303 + 30 = 333 mL이다. 온도가 2배가 되었다고 부피를 2배로 계산하면 틀린다.

15. 그래프 모양 압력이 일정할 때 일정한 양의 기체의 온도(°C, 가로축)와 부피(세로축) 관계를 나타낸 그래프로 옳은 것은?

A. 오른쪽 위로 향하는 직선으로, 0 °C에서도 부피가 0이 아니다. B. 오른쪽 아래로 휘어 내려가는 곡선이다. C. 원점을 지나는 직선으로, 0 °C에서 부피가 0이다. D. 가로축과 나란한 직선이다.

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A. 오른쪽 위로 향하는 직선으로, 0 °C에서도 부피가 0이 아니다.

해설: 온도가 일정하게 높아지면 부피가 일정하게 증가하므로 오른쪽 위로 향하는 직선이다. 0 °C에서도 기체는 부피를 가지므로 섭씨온도 그래프는 원점을 지나지 않는다.

16. 동전 실험 냉장고에 넣어 두었던 빈 유리병을 꺼내 입구에 물에 적신 동전을 올려놓고 따뜻한 두 손으로 병을 감싸 쥐었더니 동전이 들썩거렸다. 그 까닭으로 옳은 것은?

A. 손의 압력으로 유리병의 부피가 줄어들었기 때문이다. B. 병 속 공기 입자의 수가 늘어났기 때문이다. C. 병 속 공기의 온도가 높아져 부피가 늘어나면서 동전을 밀어 올렸기 때문이다. D. 병 속 공기의 온도가 낮아져 부피가 줄어들었기 때문이다.

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C. 병 속 공기의 온도가 높아져 부피가 늘어나면서 동전을 밀어 올렸기 때문이다.

해설: 따뜻한 손의 열로 병 속 공기의 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해져 부피가 늘어나려 한다. 늘어난 공기가 입구의 동전을 밀어 올려 동전이 들썩거린다. 입자 수는 변하지 않는다.

17. 현상 분류 다음 중 압력이 일정할 때의 온도와 부피 관계로 설명하기에 가장 알맞은 현상은?

A. 높은 산에 올라가니 과자 봉지가 부풀었다. B. 잠수부가 내뿜은 공기 방울이 수면으로 올라갈수록 커졌다. C. 입구를 막은 주사기의 피스톤을 누르니 안으로 들어갔다. D. 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으니 펴졌다.

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D. 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으니 펴졌다.

해설: 탁구공은 뜨거운 물로 온도가 높아져 속 공기의 부피가 늘어난 것이므로 온도와 부피 관계이다. A, B, C는 기체에 작용하는 압력이 변한 압력과 부피 관계의 예이다.

18. 부피를 늘리는 조건 일정한 양의 기체의 부피를 늘어나게 하려고 한다. ㉠ 온도가 일정할 때와 ㉡ 압력이 일정할 때 바꾸어야 할 조건을 바르게 짝 지은 것은?

A. ㉠ 압력을 높인다 － ㉡ 온도를 높인다 B. ㉠ 압력을 낮춘다 － ㉡ 온도를 높인다 C. ㉠ 압력을 낮춘다 － ㉡ 온도를 낮춘다 D. ㉠ 압력을 높인다 － ㉡ 온도를 낮춘다

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B. ㉠ 압력을 낮춘다 － ㉡ 온도를 높인다

해설: 온도가 일정하면 압력과 부피가 반비례하므로 압력을 낮추어야 부피가 늘어난다. 압력이 일정하면 온도가 높을수록 부피가 늘어나므로 온도를 높여야 한다.

19. 물 뿜는 인형 물 뿜는 인형을 찬물에 담그면 인형 안으로 물이 들어오는 까닭으로 옳은 것은?

A. 인형 속 공기의 온도가 낮아져 부피가 줄어들기 때문이다. B. 인형 속 공기 입자의 크기가 커지기 때문이다. C. 인형 속 공기의 온도가 높아져 부피가 늘어나기 때문이다. D. 찬물의 입자가 인형 속 공기 입자로 변하기 때문이다.

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A. 인형 속 공기의 온도가 낮아져 부피가 줄어들기 때문이다.

해설: 찬물에 담그면 인형 속 공기 입자의 운동이 둔해져 공기의 부피가 줄어든다. 줄어든 만큼 생긴 공간으로 바깥의 물이 구멍을 통해 들어온다.

20. 종합 물 뿜는 인형에서 물이 더 멀리 뿜어져 나오게 하는 방법으로 가장 알맞은 것은? 인형 속에는 이미 물이 들어 있다.

A. 인형 위에 미지근한 물 대신 찬물을 붓는다. B. 인형 위에 미지근한 물 대신 더 뜨거운 물을 붓는다. C. 인형의 구멍을 물이 고이지 않는 위쪽으로 옮긴다. D. 인형을 얼음물에 담근 채로 그대로 둔다.

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B. 인형 위에 미지근한 물 대신 더 뜨거운 물을 붓는다.

해설: 붓는 물이 뜨거울수록 인형 속 공기의 온도가 많이 높아져 부피가 크게 늘어나려 하므로 물을 더 세게 밀어낸다. 찬물을 붓거나 얼음물에 두면 공기의 부피가 줄어 물이 나오지 않고, 구멍이 물 위쪽에 있으면 물 대신 공기가 빠져나간다.

핵심 암기 확인 문제

암기 1 압력의 단위로 옳은 것은?

A. N B. kg C. N/m² 또는 Pa D. m/s

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C. N/m² 또는 Pa

해설: 압력은 힘(N)을 면적(m²)으로 나눈 값이므로 단위는 N/m²이며, 이를 Pa(파스칼)이라고 한다. N은 힘, kg은 질량, m/s는 속력의 단위이다.

암기 2 기체의 압력이 작용하는 방향은?

A. 모든 방향 B. 아래쪽으로만 C. 위쪽으로만 D. 옆쪽으로만

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A. 모든 방향

해설: 기체 입자가 모든 방향으로 운동하며 벽에 충돌하므로 기체의 압력은 모든 방향으로 작용한다.

암기 3 온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피 관계를 바르게 나타낸 것은?

A. 압력 + 부피 = 일정 B. 압력 × 부피 = 일정 C. 압력 ÷ 부피 = 일정 D. 압력 － 부피 = 일정

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B. 압력 × 부피 = 일정

해설: 온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피는 반비례하므로 두 값을 곱한 값이 일정하다. 이를 보일 법칙이라고 한다.

암기 4 압력이 일정할 때 기체의 온도와 부피 관계를 바르게 나타낸 것은?

A. 온도가 높아지면 부피가 줄어든다. B. 온도가 변해도 부피는 일정하다. C. 온도가 낮아지면 부피가 늘어난다. D. 온도가 일정하게 높아지면 부피가 일정하게 증가한다.

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D. 온도가 일정하게 높아지면 부피가 일정하게 증가한다.

해설: 압력이 일정할 때 온도가 높아지면 부피가 늘어나고, 일정한 간격으로 온도가 오르면 일정한 양씩 부피가 늘어난다. 이를 샤를 법칙이라고 한다.

암기 5 기체의 압력이나 온도가 변하여 부피가 변할 때 변하지 않는 것으로만 묶은 것은?

A. 입자의 수, 입자의 크기, 입자의 질량 B. 입자의 수, 입자 사이의 거리, 입자의 크기 C. 입자의 운동 빠르기, 입자의 질량, 입자의 수 D. 입자 사이의 거리, 충돌 횟수, 입자의 크기

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A. 입자의 수, 입자의 크기, 입자의 질량

해설: 입자의 수, 크기, 질량은 어떤 경우에도 변하지 않는다. 입자 사이의 거리, 운동 빠르기, 충돌 횟수나 세기는 조건에 따라 변할 수 있다.

암기 6 압력이 일정할 때 기체의 온도를 높이면 일어나는 변화로 옳은 것은?

A. 입자의 운동이 둔해지고 부피가 줄어든다. B. 입자의 크기가 커지고 부피가 늘어난다. C. 입자의 운동이 활발해지고 입자 사이의 거리가 멀어진다. D. 입자의 수가 늘어나고 입자 사이의 거리가 가까워진다.

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C. 입자의 운동이 활발해지고 입자 사이의 거리가 멀어진다.

해설: 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해져 벽에 세게 충돌하고 부피가 늘어나므로 입자 사이의 거리가 멀어진다. 입자의 수와 크기는 변하지 않는다.

시험 직전 사지선다 복습

복습 1 압력을 구하는 식으로 옳은 것은?

A. 힘의 크기 × 면적 B. 면적 ÷ 힘의 크기 C. 힘의 크기 ÷ 힘을 받는 면적 D. 힘의 크기 + 면적

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C. 힘의 크기 ÷ 힘을 받는 면적

해설: 압력은 힘의 크기를 힘을 받는 면적으로 나누어 구한다.

복습 2 같은 힘을 작용할 때 압력을 크게 하려면?

A. 힘을 받는 면적을 작게 한다. B. 힘을 받는 면적을 넓게 한다. C. 물체의 색을 바꾼다. D. 힘의 방향을 반대로 한다.

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A. 힘을 받는 면적을 작게 한다.

해설: 같은 힘에서는 면적이 작을수록 압력이 크다. 칼날을 얇게 갈거나 못 끝을 뾰족하게 만드는 까닭이다.

복습 3 눈길에서 설피나 스키를 신으면 발이 덜 빠지는 까닭은?

A. 몸무게가 줄어들기 때문이다. B. 눈을 누르는 면적이 넓어져 압력이 작아지기 때문이다. C. 눈을 누르는 면적이 작아져 압력이 커지기 때문이다. D. 기체의 압력이 아래쪽으로만 작용하기 때문이다.

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B. 눈을 누르는 면적이 넓어져 압력이 작아지기 때문이다.

해설: 몸무게(힘)는 그대로이지만 힘을 받는 면적이 넓어져 눈이 받는 압력이 작아진다.

복습 4 기체 입자가 운동하면서 용기 벽에 충돌하여 일정한 면적에 작용하는 힘은?

A. 부력 B. 마찰력 C. 탄성력 D. 기체의 압력

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D. 기체의 압력

해설: 기체 입자가 용기 벽에 충돌하여 일정한 면적에 작용하는 힘을 기체의 압력이라고 한다.

복습 5 부피가 일정한 용기 속 기체의 압력을 크게 하는 방법이 아닌 것은?

A. 같은 기체를 더 넣어 입자 수를 늘린다. B. 기체의 온도를 높인다. C. 기체의 일부를 빼내어 입자 수를 줄인다. D. 입자가 벽에 더 자주 충돌하게 한다.

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C. 기체의 일부를 빼내어 입자 수를 줄인다.

해설: 입자 수를 줄이면 벽에 충돌하는 횟수가 줄어 압력이 작아진다. 입자 수를 늘리거나 온도를 높이면 충돌이 잦아지거나 세져 압력이 커진다.

복습 6 온도가 일정할 때 2기압에서 부피가 9 L인 기체를 3기압으로 압축하면 부피는?

A. 3 L B. 6 L C. 13.5 L D. 18 L

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B. 6 L

해설: 2 × 9 = 18이 일정하므로 3기압에서 부피는 18 ÷ 3 = 6 L이다.

복습 7 온도가 일정할 때 기체의 압력을 1/2로 낮추면 부피는 처음의 몇 배가 되는가?

A. 1/4배 B. 1/2배 C. 1배 D. 2배

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D. 2배

해설: 압력과 부피는 반비례하므로 압력이 1/2이 되면 부피는 2배가 된다.

복습 8 높은 산에 올라가면 과자 봉지가 부푸는 까닭은?

A. 봉지 속 과자가 늘어났기 때문이다. B. 바깥 공기의 압력이 작아져 봉지 속 기체의 부피가 늘어났기 때문이다. C. 봉지 속 기체 입자의 크기가 커졌기 때문이다. D. 바깥 공기의 압력이 커져 봉지 속 기체가 늘어났기 때문이다.

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B. 바깥 공기의 압력이 작아져 봉지 속 기체의 부피가 늘어났기 때문이다.

해설: 높은 곳일수록 대기압이 작다. 봉지 속 기체의 양과 입자 크기는 그대로이고, 바깥에서 누르는 압력이 작아져 부피가 늘어난다.

복습 9 잠수부가 내뿜은 공기 방울이 수면으로 올라갈수록 커지는 현상과 같은 관계로 설명할 수 있는 것은?

A. 냉장고 속 빈 페트병이 찌그러진다. B. 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 펴진다. C. 헬륨 풍선이 하늘 높이 올라가면 점점 커진다. D. 열기구 속 공기를 데우면 부피가 늘어난다.

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C. 헬륨 풍선이 하늘 높이 올라가면 점점 커진다.

해설: 공기 방울과 헬륨 풍선은 모두 바깥 압력이 작아져 부피가 늘어나는 압력과 부피 관계이다. 나머지는 온도가 변한 온도와 부피 관계이다.

복습 10 냉장고에 넣어 둔 빈 페트병이 찌그러지는 까닭은?

A. 병 속 공기의 온도가 낮아져 부피가 줄어들기 때문이다. B. 병 속 공기 입자의 수가 줄어들기 때문이다. C. 병 속 공기의 온도가 높아져 부피가 늘어나기 때문이다. D. 병 속 공기 입자의 질량이 줄어들기 때문이다.

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A. 병 속 공기의 온도가 낮아져 부피가 줄어들기 때문이다.

해설: 차가워지면 병 속 공기 입자의 운동이 둔해져 부피가 줄어들고 병이 찌그러진다. 입자의 수와 질량은 변하지 않는다.

복습 11 압력이 일정할 때 기체의 온도를 낮추면 일어나는 변화로 옳은 것은?

A. 입자가 벽에 세게 충돌하고 부피가 늘어난다. B. 입자가 둔하게 운동하여 벽에 약하게 충돌하고 부피가 줄어든다. C. 입자의 크기가 작아져 부피가 줄어든다. D. 입자의 수가 줄어 부피가 줄어든다.

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B. 입자가 둔하게 운동하여 벽에 약하게 충돌하고 부피가 줄어든다.

해설: 온도가 낮아지면 입자 운동이 둔해져 벽에 약하게 충돌하므로 부피가 줄어든다. 입자의 크기와 수는 변하지 않는다.

복습 12 물 뿜는 인형 위에 뜨거운 물을 부으면 물이 뿜어져 나오는 까닭은?

A. 뜨거운 물이 인형 안으로 바로 스며들기 때문이다. B. 인형 속 공기의 부피가 줄어들어 물을 끌어당기기 때문이다. C. 인형 속 공기 입자의 수가 갑자기 늘어나기 때문이다. D. 인형 속 공기가 데워져 부피가 늘어나면서 물을 구멍 밖으로 밀어내기 때문이다.

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D. 인형 속 공기가 데워져 부피가 늘어나면서 물을 구멍 밖으로 밀어내기 때문이다.

해설: 뜨거운 물이 인형을 데우면 속 공기의 입자 운동이 활발해져 부피가 늘어나려 한다. 이 공기가 아래에 고인 물을 밀어 구멍 밖으로 뿜어낸다. 공기 입자의 수는 늘어나지 않는다.

마무리: 이 단원의 핵심은 "압력이 커지면 부피가 줄고, 온도가 오르면 부피가 는다"를 외우는 데서 끝나지 않는다. 먼저 무엇이 일정하고 무엇이 변했는지 찾고, 그다음 입자의 수·크기·질량은 그대로 둔 채 입자 사이의 거리, 운동 빠르기, 충돌이 어떻게 달라졌는지로 설명할 수 있어야 한다.