An’s Physics Lecture 시뮬레이터

KINETIC THEORY

이상 기체의 운동

입자의 운동과 벽 충돌을 조건별로 비교한다.

시작 대기
모형 단위
계산 중…
k0 / 6000
분자 개수N
—
평균 속력⟨v⟩
—u/단계
벽 충돌 / 100단계
—
입자속도 벡터 · 길이 과장온도·압력의 실제값은 아니다.
×

물리 모델과 단위

입자는 2차원 용기 안에서 서로 충돌하지 않고 직선 운동하다가 벽에서 탄성 반사한다. 용기는 시간에 따라 움직이지 않는다. 입자의 크기는 보기 위한 표시이며, 계산에서는 점입자이다.

거리 단위 u와 계산 단계는 상대적인 모형 단위이다. 한 단계마다 위치에 속도 벡터를 더한다. 질량이나 SI 시간 기준을 정하지 않았으므로 속력을 \mathrm{m/s}, 온도를 \mathrm{K}, 압력을 \mathrm{Pa}로 읽으면 안 된다. 재생 1배는 초당 30단계이며, 배속은 저장된 궤적을 보여 주는 속도만 바꾼다.

\vec v\,'=\vec v-2(\vec v\cdot\hat n)\hat n

\hat n은 바깥쪽 단위 법선이다. 벽 충돌은 다음 위치가 용기 밖인지로 판정한다. 법선은 그 위치에서 수치 미분으로 구하고, 반사된 속도로 한 단계를 다시 이동한다. 그래도 밖이면 이전 위치를 유지한다. 정확한 충돌 시각을 푸는 알고리즘은 아니며, 복잡한 벽과 큰 이동량에서는 경계 근사가 커질 수 있다.

계측값의 의미

평균 속력은 현재 프레임의 모든 입자 속력의 평균이다. 벽 충돌 값은 직전 최대 100단계의 충돌 횟수를 100단계당 횟수로 환산한 값이다. 처음 프레임에서는 기록이 없어 0이다. 이 값들은 실제 온도나 압력의 측정값이 아니다. 온도에는 평균 제곱 속력, 압력에는 벽에 전달되는 운동량과 벽의 크기·시간이 관련된다.

조건 변경과 초기화

분자 수·속력 범위·용기 모양·시드·총 단계 수를 바꾸면 전체 궤적을 다시 계산하고 시작 대기로 돌아간다. 속력 범위를 거꾸로 입력해도 두 끝값을 작은 값부터 사용하며 입력칸에도 정렬해 보인다. 같은 조건과 시드는 같은 결과를 만든다.

프레임을 옮기면 재생이 멈추고 해당 상태를 읽는다. 처음으로는 조건을 유지하며 첫 프레임으로 돌아간다. 전체 초기화는 조건·배속·표시 설정도 기본값으로 복원한다. 언어·테마·집중 모드는 유지한다.

조작법

슬라이더 위의 수치는 직접 입력할 수 있다. Enter 또는 포커스 이탈로 확정하며 범위 밖은 제한하고 빈칸은 이전 값으로 복원한다. Space는 재생·정지, 오른쪽 화살표는 정지 중 한 단계, R은 처음으로, F는 집중 모드, Esc는 대화상자·집중 모드 종료이다. 그림 위에서도 두 손가락 확대·축소가 가능하다.

작은 입자의 운동이 기체의 거시적 성질과 어떻게 연결되는지 탐구한다. 먼저 예측하고, 조건을 하나씩 바꾼 뒤 같은 계산 단계의 수치를 기록해 설명해 보자. 파란 점은 입자, 보라색 화살표는 속도, 벽 밖의 주황색 표시는 충돌이다.

1. 위치·속도·속력을 구별해 읽기

화살표가 향하는 방향은 입자가 움직이는 방향이고, 길이는 속력에 비례한다. 벽과 만나기 전에는 같은 방향으로 같은 거리씩 움직인다. 계산 단계 k가 1 증가할 때 위치 변화는 다음과 같다.

\vec r_{k+1}-\vec r_k=\vec v_k

속력은 속도 벡터의 크기이다. 방향만 바뀌어도 속도는 달라지지만 속력은 같을 수 있다. 벡터 배율은 한 단계 이동량에 대한 화살표 길이의 배율이다. 점의 크기와 벡터 배율은 보기 위한 설정이며, 분자의 실제 크기나 운동을 바꾸지 않는다.

해 보기 분자 수 10, 찌그러짐 0, 최소·최대 속력 모두 0.06으로 맞춘다. 벽에서 먼 입자 하나를 골라 정지 상태에서 한 단계씩 진행한다. 화살표 방향과 실제 이동 방향, 연속한 이동 거리를 비교한다.

확인 질문 재생 속도만 0.5배에서 2배로 바꾸면 더 빨리 보인다. 그러나 같은 프레임의 위치·평균 속력·충돌 값은 같다. 재생 배속과 분자의 속력을 구별해야 한다.

2. 탄성 반사: 바뀌는 것은 방향

정지한 매끄러운 벽에 부딪힐 때 벽의 법선에 나란한 속도 성분은 반전되고, 접선에 나란한 성분은 유지된다. 입사각과 반사각은 그 지점의 법선을 기준으로 잰다.

v'_n=-v_n,\qquad v'_t=v_t
|\vec v\,'|=|\vec v|

따라서 질량이 일정한 입자의 운동 에너지 E_k=\frac{1}{2}mv^2는 보존된다. 반면 운동량은 벡터이므로 방향이 바뀌면 달라진다. 벽이 입자에 힘을 주기 때문에 입자들만 묶은 계의 전체 운동량은 보존될 필요가 없다.

해 보기 1번 설정에서 재생하다가 벽에 접근하는 입자를 찾고, 멈춘 뒤 한 단계씩 진행한다. 충돌 전후 화살표 길이는 같은지, 방향은 어떻게 바뀌는지 관찰한다. 비스듬히 부딪히는 경우도 비교한다.

관찰의 한계 정확한 접촉 순간을 찾는 대신 다음 위치가 벽 밖인지 판정하는 근사 계산이다. 큰 속력이나 복잡한 벽에서는 입자가 튕기는 지점이 실제 접촉점과 어긋날 수 있다.

3. 평균 속력은 온도와 같은 값일까?

화면의 평균 속력은 각 입자의 속력 v_i를 모두 더해 분자 수 N으로 나눈 값이다. 서로 반대 방향으로 움직여도 양의 속력을 더한다. 방향을 포함해 더하는 평균 속도 \langle\vec v\rangle와 다르다.

\langle v\rangle=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}v_i

운동 에너지에는 평균 제곱 속력 \langle v^2\rangle가 들어간다. 평균 속력을 먼저 구해 제곱한 \langle v\rangle^2와 일반적으로 같지 않다. 제곱평균제곱근 속력은 v_\mathrm{rms}=\sqrt{\langle v^2\rangle}이다.

두 입자의 예 속력이 0.05와 0.15인 두 입자와, 둘 다 0.10인 두 입자는 평균 속력이 모두 0.10이다. 그러나 평균 제곱 속력은 각각 0.0125와 0.0100이므로 질량이 같다면 평균 운동 에너지도 다르다. 수치는 모형 단위의 예이다.

교과 개념으로 확장 같은 질량의 입자로 이루어진 3차원 이상 기체가 열평형에 있을 때, 전체 기체의 흐름을 제외한 병진 운동에 대해 다음 관계가 성립한다.

\frac{1}{2}m\langle v^2\rangle=\frac{3}{2}k_\mathrm{B}T

여기서 k_\mathrm{B}는 볼츠만 상수, T는 절대 온도이다. 계수 3은 공간의 세 방향에서 나온다. 이 화면은 질량과 SI 시간 척도가 없는 2차원 모형이며 열평형 분포도 만들지 않으므로, 평균 속력 표시를 온도로 환산할 수 없다.

4. 속력을 두 배로 바꾸는 비교 실험

설정 분자 수 50, 찌그러짐 0, 주름 개수 6, 시드 1, 총 단계 수 1000으로 둔다. 실험 A는 속력 범위 0.04–0.08, 실험 B는 0.08–0.16으로 설정한다. 나머지 조건과 재생 배속은 같게 둔다.

기록 두 실험에서 프레임 200·400·600·800·1000의 평균 속력과 벽 충돌 값을 적는다. 충돌 값 다섯 개를 평균하여 비교한다. 조건을 바꾸면 궤적이 다시 계산되고 첫 프레임에서 멈춘다.

예측과 해석 같은 시드와 용기·분자 수를 유지하고 속력 범위만 두 배로 하면 초기 입자별 속력이 두 배가 된다. 평균 속력도 약 두 배이며, 각 입자의 운동 에너지는 질량이 같다면 네 배이다. 더 자주 벽에 도달하므로 충돌 빈도도 장시간에는 대체로 증가한다.

짧은 100단계 구간의 충돌 횟수가 매번 정확히 두 배일 필요는 없다. 도착 시각과 진행 방향, 유한한 입자 수, 벽 반사의 수치 근사가 영향을 준다. 여러 구간의 결과로 경향을 판단한다.

5. 분자 수와 통계적 요동

설정 찌그러짐 0, 주름 개수 6, 시드 1, 최소·최대 속력 모두 0.06으로 고정한다. 분자 수를 50과 100으로 바꾸고, 각 실험의 프레임 200·400·600·800·1000에서 벽 충돌 값을 기록한다.

예측 모든 입자의 속력이 같으므로 평균 속력은 두 경우 모두 약 0.06이다. 입자가 많아지면 벽 충돌 총횟수는 대체로 늘어난다. 하지만 충돌이 일정한 시간 간격으로 일어나는 것은 아니어서 100단계마다 같은 숫자가 나오지 않는다.

비교 방법 다섯 구간의 충돌 평균을 구하고, 이를 분자 수로 나눈 값도 비교한다. 전자는 용기 전체의 충돌 빈도, 후자는 입자 하나당 평균 충돌 빈도이다. 같은 용기·속력에서 분자 수만 늘렸다면 후자는 비슷한 수준을 예상할 수 있다.

표시값 읽기 프레임 200의 값은 100→200 사이 충돌 횟수이고, 프레임 400의 값은 300→400 사이의 값이다. 두 구간은 겹치지 않는다. 처음 100단계 이전에는 관측한 짧은 구간을 100단계당 값으로 환산하므로 요동이 더 크게 보일 수 있다.

입자 수나 관측 시간을 늘리면 무작위 조건에서 상대적 요동은 대체로 줄어들지만, 한 시드의 짧은 기록만으로 단정하지 않는다. 원형 용기의 반복적인 궤적 때문에 서로 다른 구간이 완전히 독립적이지 않을 수도 있다.

6. 압력은 벽에 전달되는 운동량에서 나온다

입자가 벽에서 반사되면 벽도 입자로부터 충격량을 받는다. 법선 방향 입사 속력의 크기가 |v_n|이고 질량이 m이면, 탄성 반사 한 번으로 벽에 전달되는 법선 방향 운동량의 크기는 다음과 같다.

\Delta p_n=2m|v_n|

벽에 거의 나란히 스치는 입자보다 벽을 향해 정면으로 오는 입자가 같은 속력에서 더 큰 법선 방향 충격량을 준다. 따라서 충돌 횟수가 같아도 압력이 같다고 할 수 없다.

3차원 기체로 확장 면적 A인 벽 조각에 시간 \Delta t 동안 전달된 법선 방향 운동량을 더하면 평균 압력을 구할 수 있다.

P=\frac{\sum\Delta p_n}{A\,\Delta t}

열평형의 이상 기체에서 분자 수와 부피가 같고 모든 속력을 두 배로 하면, 충돌 빈도와 한 번당 운동량 전달이 함께 커져 압력은 네 배가 된다. 이는 기체 분자 운동론의 예측이며 이 화면이 압력을 측정했다는 뜻은 아니다.

생각해 보기 충돌 값만으로 압력을 계산하려면 무엇이 더 필요할까? 입자 질량, 벽에 수직인 속도 성분, 벽의 크기, 실제 시간 기준이 필요하다. 현재 계측값은 충돌 빈도만 보여 준다.

7. 용기 모양·랜덤 시드·재현성

찌그러짐이 0이면 원형 용기이다. 찌그러짐과 주름 개수를 바꾸면 벽의 국소적인 법선 방향이 달라져 반사 뒤 경로도 달라진다. 같은 속력이어도 다음 벽까지 가는 거리와 충돌 시각은 달라질 수 있다.

해 보기 분자 수 10, 속력 0.06–0.06, 주름 개수 6, 시드 1로 두고 찌그러짐 0과 0.20을 비교한다. 벽 가까운 입자의 반사 방향을 관찰한 뒤, 원래 조건으로 돌아와 프레임 300의 배치를 다시 확인한다.

변인 통제 같은 시드는 같은 난수 순서를 정하지만, 모양을 바꾸면 용기 안에 들어오는 초기 위치를 고르는 과정도 달라질 수 있다. 주름 개수도 난수 사용 순서에 영향을 준다. 따라서 모양 변경 전후를 반드시 같은 초기 배치의 실험이라고 해석하면 안 된다. 모든 조건을 똑같이 복원하면 같은 기록을 재현한다.

주의 찌그러짐은 부피만 바꾸는 조절기가 아니다. 용기의 면적과 둘레, 반사 방향이 함께 변할 수 있다. 이 비교만으로 보일 법칙을 검증했다고 결론 내릴 수 없다.

8. 이 모형으로 말할 수 있는 것과 없는 것

확인할 수 있는 것 벽 사이의 등속 직선 운동, 탄성 반사에 따른 속도 방향 변화와 속력 보존, 입자 수·속력·벽 모양에 따른 충돌 빈도 변화, 무작위 초기 조건에서도 같은 설정을 재현하는 방법이다.

생략한 과정 입자끼리의 충돌과 인력, 중력, 열 교환, 움직이는 벽의 일은 계산하지 않는다. 화면에서 점이 겹쳐도 입자 간 충돌이 아니다. 초기 속력은 지정 범위에서 균일하게 뽑고, 벽 반사는 각 입자의 속력을 거의 보존한다. 그래서 시간이 지나도 저절로 맥스웰 속력 분포나 열평형에 도달하지 않는다.

확장 과제 열평형으로 가는 과정을 보려면 입자 간 운동량·에너지 교환을, 압축에 의한 온도 변화를 보려면 움직이는 벽과 에너지 전달을 모델에 더해야 한다. 화면이 복잡하게 움직인다는 사실만으로 이런 과정이 구현되었다고 판단하지 않는다.

스스로 설명하기 ① 벽에서 속도가 바뀌는데 속력은 왜 유지될까? ② 평균 속력이 같아도 평균 운동 에너지는 다를 수 있을까? ③ 충돌 횟수만으로 압력을 알 수 없는 이유는 무엇일까? ④ 재생 배속·벡터 배율·분자 속력 중 실제 계산 궤적을 바꾸는 것은 무엇일까?

답의 핵심 ① 법선 성분의 부호만 바뀐다. ② 평균과 제곱평균은 다르다. ③ 충격량·벽 크기·시간 정보가 더 필요하다. ④ 분자 속력 조건이 궤적을 바꾸며, 배속과 벡터 배율은 표현을 바꾼다.