비부피

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1. 개요
2. 정의 및 응용
3. 여러 가지 물질의 비부피
- 3.1. 일반적인 물질의 비부피
- 3.2. 용액의 비부피
4. 비부피 관련 추가 정보
참조

1. 개요

비부피는 물질의 단위 질량당 부피를 나타내는 물리량으로, 밀도의 역수 관계를 갖는다. 일반적으로 m³/kg 또는 cm³/g 단위를 사용하며, 몰부피, 부피 (열역학), 부분 몰부피 계산에 활용된다. 기체의 경우 온도와 압력 변화에 따라 비부피가 크게 변동하며, 실제 기체의 비부피는 이상 기체 법칙에서 벗어날 수 있다. 여러 물질의 비부피는 표로 제시되며, 용액의 비부피는 각 구성 성분의 부분 비부피 합으로 나타낼 수 있다.

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비부피

2. 정의 및 응용

비부피는 물질의 단위 질량 당 부피로 정의되며, 주로 m³/kg^영어 또는 cm³/g^영어 단위를 사용한다. 밀도의 역수 관계를 가지므로, 밀도가 증가하면 비부피는 감소하고, 밀도가 감소하면 비부피는 증가한다.

경우에 따라 비부피는 물질 1g이 차지하는 입방 센티미터 수로 표현되기도 한다. 이 경우 단위는 cm³/g^영어 또는 cm³·g⁻¹^영어이다. m³/kg^영어을 cm³/g^영어으로 변환하려면 1000을 곱하고, 반대로 변환하려면 0.001을 곱한다.

두 개 이상의 물질의 비부피를 알면 특정 응용 분야에 유용한 정보를 찾을 수 있다.^[3]

2. 1. 열역학적 응용

비부피는 일반적으로 다음 물리량을 계산하는 데 쓰인다.^[1]

몰부피
부피 (열역학)
부분 몰부피

부피가 변할 수 있는, 특정한 양의 산소 기체 원자가 들어있는 밀폐된 챔버를 생각해 보자. 다음의 네 가지 경우를 생각할 수 있다.^[1]

기체의 유출입 없이 챔버가 작아지면 밀도는 증가하고 비부피는 감소한다.
기체의 유출입 없이 챔버가 팽창하면 밀도는 감소하고 비부피는 증가한다.
챔버의 크기는 일정하게 유지되면서 새로운 기체 원자가 주입되면, 밀도는 증가하고 비부피는 감소한다.
챔버의 크기는 일정하게 유지되면서 새로운 기체 원자가 유출되면, 밀도는 감소하고 비부피는 증가한다.

비부피는 물질의 성질로, 어떤 물질 1 kg이 차지하는 m³의 양으로 정의된다. 표준 단위는 m³/kg^영어 또는 m³·kg⁻¹^영어이다.^[1]

2. 2. 비부피와 밀도의 관계

비부피는 밀도에 반비례한다. 어떤 물질의 밀도가 두 배로 증가하면 비부피는 절반으로 줄어든다. 밀도가 이전 값의 1/10로 떨어지면 비부피는 10배 증가한다.^[2] 예를 들어, 인간 혈액의 평균 밀도는 1060kg/m3이고, 이에 해당하는 비부피는 0.00094m3/kg이다. 혈액의 평균 비부피는 물의 비부피인 과 거의 비슷하다.^[2]

기체의 밀도는 온도 변화에 민감하게 반응하여 변하는 반면, 액체와 고체의 밀도는 거의 변하지 않는 것으로 간주된다. 비부피는 물질 밀도의 역수이므로, 기체를 다룰 때는 온도 변화에 따른 비부피 변화를 신중하게 고려해야 한다.^[2]

2. 3. 기체의 비부피

기체의 밀도는 온도와 압력 변화에 크게 영향을 받는다. 따라서 기체의 비부피는 온도와 압력의 변화에 따라 크게 달라진다. 이러한 특성 때문에, 기체를 다루는 상황에서는 비부피를 신중하게 고려해야 한다.^[2]

예를 들어 과열 증기의 비부피를 구하는 경우를 생각해보자. 압력이 2500psi이고, ''R''이 0.596, 온도가 1960R일 때 비부피는 0.4672cuin이다. 하지만 온도가 1160R로 바뀌면 과열 증기의 비부피는 0.2765cuin로 바뀌어, 전체적으로 59%가 변한다.

2. 4. 이상 기체와 실제 기체

이상 기체의 경우, 이상 기체 법칙을 사용하여 주어진 온도와 압력에서 비부피를 계산할 수 있다. 이상 기체의 비부피는

\nu = \frac{RT}{P}

(여기서 R은 기체 상수, T는 절대 온도, P는 압력) 식으로 계산할 수 있다. 예를 들어 압력이 2500lbf/in2이고, R이 0.596이며, 온도가 1960degR인 과열 증기의 비부피는 0.4672in3/lb이다. 하지만 온도가 1160degR로 변경되면 과열 증기의 비부피는 0.2765in3/lb로 바뀌며, 이는 전체적으로 59% 변화한 것이다.^[3]

그러나 실제 기체는 분자 간 상호작용 등의 영향으로 이상 기체 법칙에서 벗어나는 경우가 많다. 따라서 보다 정밀한 계산을 위해서는 실제 기체의 상태 방정식을 사용해야 한다. 예를 들어 비부피가 0.657cm3/g인 물질 X와 비부피가 0.374cm3/g인 물질 Y의 경우, 각 물질의 밀도는 비부피의 역수로 구할 수 있다. 즉, 물질 X의 밀도는 1.522 g/cm³이고, 물질 Y의 밀도는 2.673 g/cm³이다. 이 정보를 통해 서로에 대한 각 물질의 비중을 찾을 수 있는데, 물질 Y에 대한 물질 X의 비중은 0.569이고, 물질 X에 대한 Y의 비중은 1.756이다. 따라서 물질 X를 Y에 놓으면 가라앉지 않는다.^[3]

3. 여러 가지 물질의 비부피

다음은 표준 온도 및 압력 (0 °C, 1 기압)에서 여러 가지 물질의 밀도와 비부피 값을 나타낸 표이다.^[6]

물질 이름	밀도 (kg/m³)	비부피 (m³/kg)
물질 이름
공기	1.225	0.78
얼음	916.7	0.00109
액체 물	1000	0.00100
소금물	1030	0.00097
수은	13546	0.00007
R-22*	3.66	0.273
암모니아	0.769	1.30
이산화 탄소	1.977	0.506
염소	2.994	0.334
수소	0.0899	11.12
메테인	0.717	1.39
질소	1.25	0.799
수증기*	0.804	1.24

표시된 값은 표준 상태에서의 값이 아니다.

3. 1. 일반적인 물질의 비부피

다음 표는 여러 가지 일반적인 물질의 비부피 값을 나타낸다. 이 값은 0 °C (273.15 K) 및 1 기압 (101.325 kPa)의 표준 온도와 압력 상태에서 측정된 값이다.^[6]

물질 이름	밀도 (kg/m³)	비부피 (m³/kg)
물질 이름
공기	1.225	0.78
얼음	916.7	0.00109
액체 물	1000	0.00100
소금물	1030	0.00097
수은	13546	0.00007
R-22*	3.66	0.273
암모니아	0.769	1.30
이산화 탄소	1.977	0.506
염소	2.994	0.334
수소	0.0899	11.12
메테인	0.717	1.39
질소	1.25	0.799
수증기*	0.804	1.24

표시된 값은 표준 상태에서의 값이 아니다.

3. 2. 용액의 비부피

비이상 용액의 비부피는 구성 성분의 부분 비부피의 합이다.

:

\nu =\frac {1}{\rho} = \frac{\tilde V}{M} = \sum_i w_i\cdot \bar{\nu_i}

M은 혼합물의 몰 질량이다. 이는 부피 대신 사용할 수 있으며, 이는 시스템과 관련된 내포적 성질이다.

4. 비부피 관련 추가 정보

인간 혈액의 평균 밀도는 1060kg/m3이며, 이에 해당하는 비부피는 0.00094m3/kg이다. 이는 물의 비부피 ()와 매우 유사하다.^[2]

두 물질의 비부피를 알고 있으면, 각 물질의 밀도 및 서로에 대한 비중을 계산할 수 있다. 예를 들어 비부피가 0.657cm3/g인 물질 X와 비부피가 0.374cm3/g인 물질 Y의 경우, 각 물질의 밀도는 비부피의 역수를 취하여 구할 수 있다. 따라서 물질 X의 밀도는 1.522 g/cm³이고 물질 Y의 밀도는 2.673 g/cm³이다. 이 정보를 사용하여 서로에 대한 각 물질의 비중을 찾을 수 있다. 물질 Y에 대한 물질 X의 비중은 0.569이고, 물질 X에 대한 Y의 비중은 1.756이다. 따라서 물질 X를 Y에 놓으면 가라앉지 않는다.^[3]

참조

_[1] 서적 Fundamentals of Engineering Thermodynamics Wiley 2010-12-07
_[2] 서적 Human Physiology Pearson
_[3] 서적 Fundamentals of Physics Halliday 2007-04-06
_[4] 웹사이트 Engineering Tool Box http://www.engineeri[...] 2013-04-14
_[5] 서적 Fundamentals of Engineering Thermodynamics https://archive.org/[...] Wiley
_[6] 웹인용 Engineering Tool Box http://www.engineeri[...] 2013-04-14

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