[스쿠버다이빙 이론교육 2] 공기란 무엇인가?

[스키퍼[김승규]]

[이론강좌2] 공기란 무엇인가?

에피타이저

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    공기

공기는 지구를 둘러싼 기체의 유동혼합물이다.
갖가지 두께나 밀도를 가진 층이 집중하여 지구를 완전히 감싸고 있다. 실체가 없는 것 같으면서도 공기층의 질량은 큰 것이다. 지구의 중력으로 계산하면 그 질량은 5,000조톤이나 된다. 

해발 0미터의 지점에서 밑면적이 1평방미터 그리고 높이가 대기권 바깥까지 미치는 공기 기둥을 세웠다고 한다면 그 중량은 약 1킬로그램이며 이것이 밑면적 900평방센티가 되면 약 1톤에 달하게 된다.

잘 알려져 있는 물질의 3가지 형태, 즉 고체, 액체, 기체는 인간에 비유하면 고체는 차렷자세로 정연한 대오를 짜고 줄서 있는 군대와 비슷하다. 액체는 이리 밀리고 저리 쏠리는 폭도와 비슷하다. 기체는 넓은 장소에서 때로는 서로 부딪치며 닥치는대로 놀고 있는 아이 무리와 비슷하다.

이들의 행동은 갈피를 잡을 수 없다. 실상 가스(기체)라는 말은 그리스어의 카오스-혼돈에서 유래한다.

물질의 형태중에서 기체는 가장 희박하면서도 언제나 우리 손에 닿아있다. 기체는 도처에 널려있다. 우리가 호흡하는 공기, 에어컨디셔너의 프레온 가스, 용접용 토치램프와 아세틸렌, 수술환자용 마취제 등 부지기수이다.

또한 기체는 가장 잘 알려져 있는 물질형태이다. 그 이유는 기체의 각 분자는 액체나 고체의 분자에 비해 상호간의 거리가 매우 떨어져 있고 개개의 분자가 따로따로 행동하기 때문이다. 따라서, 그 집단적인 행동을 관찰하기도 쉬운 것이다.

물질의 어떤 상태는 일정한 온도에서 다른 상태로 옮겨갈 수가 있다. 그러나 대개의 상태는 각기 독특한 성질을 가지고 있다. 공기의 특성은 그 분자가 자유롭고 움직이기 쉽다는 것에 기초해서 다음과 같은 특성이 있다.

  공기는 탄력적이다.

공기의 분자는 약간이라도 충격을 받으면 서로 충돌하기 시작한다. 이것이 음파를 낸다. 귀뚜라미 날개를 조금 비비기만 해도 분자운동이 일어나 수백미터 떨어진 곳에서도 그 소리를 들을 수 있다.

이와 비슷한 분자운동이 샴페인병에서 코르크마개를 튕겨내고 공기를 사용한 기계장치를 움직인다. 

 

   기체는 곧 뒤섞여 서로 확산한다.

향수병 뚜껑을 열어 놓으면 그 냄새는 곧 온 방안으로 번진다. 향수가 증발함에 따라 그 기체분자가 확산되어 방안 전체에 미치기 때문이다. 공기 자체가 기체의 균등 혼합물이다. 공기는 북극의 빙원위든 시파단의 바다위든 거의 같은 "비율"의 질소와 산소, 그리고 다른 기체를 함유하고 있다.

기체는 자기 본래의 형태를 갖지 않고 자유로이 번져서 어떤 용기라도 채워 버린다. 밀폐된 에어탱크내이든 비시디의 공기공간이든 인양용 공기주머니든 자기 자신을 맞추어 버리기 때문이다. 

   기체의 체적은 압력과 온도에 따라 변한다.

기구는 기압이 낮은 희박한 대기속에 떠오르며 팽창하고 구름이 태양을 가로 막으면 수축한다.
기체는 팽창하면 싸늘해지고 압축하면 더워진다. 에어탱크에 공기를 가득 넣은 초기에는 공기도 더워지고 탱크자체도 더워진다는 것을 알고 있다.

이와 동일한 기체 특유의 성질이 냉동기를 가능하게 했다. 즉 전기 펌프로 압축된 냉동가스가 코일속에서 팽창하여 냉동기 내부를 냉각시키고 다시 압축기로 되돌아 오는 과정을 되풀이하고 있는 것이다. 

    액체와 마찬가지로 기체도 유동한다.

이 유동성 덕분에 도시가스는 파이프라인을 통해 전국에 공급된다. 미사일의 폭발은 기체의 성질을 가장 극단적으로 응용한 것이다. 그러나 그보다 더한 스펙터클 쇼가 기체분자의 마이크로적 세계에 숨어 있다.

분자는 거의 아무런 구속도 받지 않고 맹렬한 속도로 회전하고 되돌아 오고 충돌하면서 허공을 좌우로 날아다니고 있다.

공기속의 분자는 1제곱센티미터당 매초 3의 23승배라는 비율로 유리창에 부딪치고 있다. 이들 분자는 크기에 비하면 서로 많이 떨어져 있으나 분자의 평균 시속이 1600킬로미터나 되므로 매초 50억회나 동료분자와 충돌하고 있다.

다만 그 충돌이 탄성적이기 때문에 분자는 에너지를 잃지 않는다. 

    끊임없이 광란하는 분자운동과 충돌이 기체행동의 특징이다.

유리창에 그렇게 많은 분자가 충돌한다면 만일 반대쪽에서 같은 수의 분자가 부딪치고 있지 않다면(반대쪽을 진공상태로 둔다면) 유리창은 산산조각이 날 것 이다.

이러한 거대한 기체압력의 힘이 증기기관이나 제트엔진을 움직이는 힘이다. 

    기체에 탄력이 있는 것도 이 무질서한 분자운동의 결과이다.

즉 기체가 압축되면 될수록 분자는 떼지어 몰리게 되어 그만큼 압축기의 표면에 부딪치는 일이 많아진다. 그래서 탄성적인 저항성이 생기는 것이다. 그래서, 기체는 확산되고 혼합되어 어떤 모양의 혹은 어떤 크기나 형태의 용기라도 가득 채울 수가 있다. 

    공기의 분자운동은 공기의 온도로 측정된다.

팽창되며 냉각되는 이유는 공기분자가 멀리 떨어지기 위해 다른 분자를 밀어내기 때문이다. 이 작용은 기운이 왕성한 기체로서도 고단한 작업이다. 그 때문에 속도가 둔해지고 그 결과 온도가 떨어지는 것이다.

반대로 공기를 압축하면 온도가 올라간다. 그 이유는 분자가 서로 밀리고 밀리어 거기에 따라 속도가 빨라지고 따라서 열이 오른다.

 공기의 발견

 최초의 발견

오늘날에는 기체쪽이 고체나 액체보다 잘 이해되고 있다.
그러나 그것이 물질의 한 특별한 상태라고 인정된 것은 기체가 가장 늦다. 17세기까지에는 기체를 포착하여 분석하기란 너무 어려웠다. 기체는 고체처럼 부수거나 구부린다거나 가루로 만들 수가 없었다. 또 액체처럼 흘리던가 스며들게 한다거나 얼리던가 끓게 할 수 없었다.

따라서 기체에 관한 지식은 본질적으로 억측에서 시작해서 그 억측을 기초로 하고 있었다.

공기가 실체를 가지고 있음을 처음으로 인식한 것은 그리스인이었다.
기원전 5세기에 철학자 엠페도클레스는 물시계의 기능에 대해 연구하고 있었다. 이것은 양쪽에 구멍이 있는 공모양의 용기이며 액체를 옮기는데 사용되었다.

위에 있는 구멍을 닫고 용기를 물속에 넣으면 물은 용기안에 들어가지 않는다. 윗구멍을 열어 공기를 달아나게 하면 물은 그릇속에 들어간다.

용기속의 공기가 물의 유입을 막았다고 엠페도클레스는 결론지었다. 그 그리스인은 공기가 실체를 가지고 있다는 데에 만족하고 공기에 무게도 있다고 추측했으나 이것을 실험적으로 확인하지는 못했다.

 아리스토텔레스

이윽고 그 100년후에 아리스토텔레스가 자연계에는 공허한 공간은 존재할 수 없다고 규정지었다. 즉 "자연은 진공을 혐오한다"는 것이다. 이 편리한 말은 그후 2,000년에 걸쳐 초기의 흡수관이나 풀무 그리고 펌프에 공기의 무게가 가져다 주는 효과를 설명해 왔다.

그러나 아리스토텔레스설에 찬동하는 학자도 누구 한사람 다음 사실을 설명할 수가 없었다.(증명될 때까지..) 즉 어째서 자연의 진공에의 혐오가 높이 10미터에서 정지하고 마는가 하는 것이다. 파이프공이 우연히 발견해서 알듯이 물은 공기를 뺀 파이프 속에서 10미터 이상 더 올라가는 일이 없었다.

  갈릴레이

많은 실험으로 17세기 유럽에서 과학르네상스의 선구자가 된 위대한 갈릴레이조차도 이 사실의 과학적 원인규명에 난처했다.

마침내 그는 공기에 무게가 있다는 것을 확인하는 교묘하고 간단한 실험을 실시했다. 그 결과 자기자신은 깨닫고 있지 못했으나 이 의문에 대한 답을 얻었던 것이다.

저울의 한쪽 접시에 보통기압의 공기만을 넣어 밀봉한 용기를 얹고 다른 한쪽 접시에 한줌의 모래를 놓아 균형을 유지했다. 그리고 나서 펌프를 이용하여 공기를 좀 더 용기에 집어 넣고 다시 밀봉한다. 그러면 용기쪽이 모래보다 무겁게 됨을 알 수 있었다.

갈릴레이는 용기가 무거워 진것은 용기속의 공기량의 증가분에 의한 것이라는 결론을 내렸다.

  토리첼리

이탈리아의 수학자 에반젤리스타 토리첼리는 갈릴레이의 결론에서 한 걸음더 전진했다. 35세의 토리첼리는 연배의 스승밑에서 과학연구에 종사하기 위해 피렌체로 왔다. 그리고 종교 재판 결과로 집에 은거하고 있던 갈릴레이를 만났다. 그는 갈릴레이의 길험결과를 듣고 갈릴레이가 깨닫지 못한 것을 알았다.

그것은 파이프를 우물에 박아넣고 공기를 빼면 물이 파이프를 따라 올라오는 것은 우물물을 압박하고 있는 주위의 공기 때문이라는 것이다.

대기는 물을 10미터 이상 밀어 올릴만큼 무겁지는 않다고 추론했다. 그는 이 점을 검증하기 위해 척도를 줄인 실험을 했다. 물대신 밀도가 13.6배가 되는 수은을 사용한 것이다.  

그는 122센티미터 길이의 유리관 한쪽을 봉하고 수은을 채운 후 열려있는 쪽을 손으로 누르고는 파이프를 거꾸로 세워 역시 수은이 들어있는 용기에 찔러 넣었다.

손가락을 떼자 파이프속의 수은은 약 46센티 내려가고 파이프속은 상당한 진공 부분이 생겼다. 이것으로 수은 표면에 가해지는 대기압력이 파이프속의 76센티미터 수은의 압력과 같다는 것을 증명해 보인것이다.

이 역사적인 실험을 위해 만든 장치가 세계최초의 기압계였던 셈이다.

   파스칼

토리첼리의 실험소식은 수학자이며 과학자였던 파스칼의 귀에도 들어갔다.
그는 이 실험을 (수은으로)축소하지 않고 되풀이 해 보기로 했다. 그는 14미터의 유리관을 2개 입수하여 한쪽 파이프에는 물, 한쪽 파이프에는 포도주를 넣어 실험했다. 결과로 보통 상태에 있어서 대기의 무게는 76센티의 수은을 지탱했듯이 10미터의 물을 지탱할 수 있으며, 물 10미터의 깊이는 1대기압과 같다는 것을 증명하였다.

파스칼의 실험의 좀 더 중요한 점은 어떤 지점에서 대기의 압력은 측정지점의 높이의 차이가 기압에 영향을 미친다는 결론을 내린 사실이다.

그는 자신의 측정장치를 이용해서 길바닥의 공기압력과 교회 꼭대기의 공기압력을 비교했다. 결과는 분명치 않았으나 포기하지 않았다. 그는 매형에게 부탁하여 기압계 하나를 중부프랑스의 960미터 산 정상으로 운반하여 물의 높이가 낮아짐을 발견하고 열광하였다 한다.

파스칼은 고도가 높은 곳에서는 지구의 대기가 감소한다는 사실과 기압을 측정하는 자신의 기압계가 고도를 측정하는 고도계로도 사용 할 수 있음을 분명히 했다. 현재 스쿠버다이빙에 사용되는 수압과 대기압의 관계를 분명한 실험을 통해 확인하였고, 고도 다이빙의 기초를 발견한 것이다.

괴리케

갈릴레이, 토리첼리, 파스칼은 공기를 조사하기 위해 저울과 기압계를 사용하여 우선 공기를 과학적으로 연구하는 일에 착수했다. 어떤 용기로 부터 공기를 뽑아내어 진공상태로 만드는 강력한 진공펌프가 만들어져 공기에 대한 연구는 더욱 진전했다.

이 장치는 독일의 기술자이며 시장이기도 한 폰 괴리케가 만든 것이다. 진공실험을 위해 청동제 반구를 두개 붙여 말이 양쪽에서 끌게 한 장본인이다.

 

헬몬트

그러던중 17세기 중엽에 벨기에의 요한 밥티스터 반 헬몬트의 실험이 있었다. 화학자이자 물리학자이던 그는 결국엔 종교재판 끝에 13년간 투옥 끝에 죽었지만 기체에는 여러종류가 있으며 공기의 실체를 최초로 인식한 사람중에 하나이었다.

그가 실시한 유명한 실험은 밀폐된 용기에 숯을 넣고 계속 가열하여 그 숯이 재가 되어도 용기 전체의 무게는 변하지 않는다는 사실을 보여주는 것이었다. 그는 숯과 재의 무게차이의 그 무엇인가는 "어떤 무엇"인가로 변했다고 생각했다.

그는 이것을 나타내는 적당한 말을 고민중 그리스의 카오스를 연상하여 "GAS"라고 명명했다.

그는 다른 실험에서 양초를 수면에 띄우고 거꾸로 한 유리컵으로 이것을 덮었다. 이윽고 불이 꺼지고 컵 속의 수면은 올라갔다.

그 이 사실을 가지고 "공기속에는 그 공간을 채우고 있는 실체보다는 적지만 불에 의해 완전히 소멸하는 무엇인가가 있다"고 주장했다.

이로서 공기중의 산소와 일산화탄소, 이산화탄소, 이산화황, 산화질소가 발견되었다.

  

보일
 

이 반 헬몬트의 실험기록을 보고 영국의 로버트 보일은.. 괴리케의 진공펌프와 실험, 기압에 관한 파스칼의 산에서의 실험에 흥미를 느꼈다. 그로 인해 과학사에 남을 만한 대실험을 하게 되었고..현재로선 수없이 많은 스쿠버다이빙 강사들이 그 이름을 인용하게 되었다.

 

보일은 J자형의 파이프의 두 다리에 눈금을 매겼다. 그리고 긴 쪽 다리에서 수은을 주입하고 짧은 쪽 다리를 봉한 후 거기에 공기를 밀폐하고 양쪽의 파이프 수은을 같은 수준면에 있게 하였다.

그는 이 경우 밀페된 공기의 압력은 파이프 바깥의 공기의 압력과 동일하다고 추론했다. 그는 다음에 밀폐된 공기의 체적이 절반이 될 때까지 열린 쪽으로부터 수은을 부어넣었다. 거기에는 76센티의 수은이 필요했다.

그는 수은 76센티의 무게가 1기압에 상당하다는 것을 토리첼리의 실험결과로 알고 있었다. 밀폐한 공기의 체적을 절반으로 만들기 위해 압력을 배로 한 셈이 된다. 즉 "압력의 변화는 체적의 변화에 반비례한다" 이것이 보일의 법칙이다.

그는 아마도 온도를 일정하게 했을 때만 이 법칙이 성립된다는 것을 인식하고 있었겠지만 온도변화의 정확한 양상은 그후에도 쉽게 밝혀지지는 않았다.

오늘날에는 더욱 범위가 좁아져 보일의 법칙은 엄밀하게는 이상기체에만 적용 되는 것으로 되어 있다.

이상기체란 분자간에 어떠한 힘도 작용하지 않는 기체를 말한다. 현실의 기체에서는 분자간의 조그만 힘 때문에 압력과 체적의 관계는 보일의 법칙에서 약간 벗어나 있다.

   공기의 성분

         질소 : 78.09%
         산소 : 20.95%
         아르곤 : 0.93%
         이산화탄소 : 0.02% - 0.04%
         네온 : 0.0018%
         헬륨 : 0.0005%
         크립톤 : 0.0001%
         크세논 : 0.000008%
         오존 : 0.000002%
         라돈 : 미량

  공기의 물리

인간과의 관계를 생각해보면 해발 0미터 지점에서는 그 사람의 체격이나 피부 면적에 따라서도 물론 다르지만 10-20톤 가량의 대기압이 가해지는 계산이 될 것이다. 물고기가 바다밑에서 살고 있는 것처럼 인간도 이 공기의 / 대기의 바다밑에서 살고 있는 것이다.

즉 바깥을 향하는 체내압력과 들어오는 압력이 균형을 이루고 있는 셈이지만 한걸음 더 나아가 소금을 머금은 바다와 비교해서 생각해보자.

대기는 바다와 마찬가지로 밑에서는 무겁고 지표에서 멀어짐에 따라 급격히 가벼워진다. 해발 0미터 지점에서는 1입방센티미터당 약 1킬로그램인 대기의 압력이 5,400미터 상공에서는 0.2킬로그램으로 줄어들고 만다.

고도 상승에 따라 대기압력이 준다는 결론이다.

  뉴튼

17세기경 기초물리와 자연계의 현상을 관찰하는 작업은 뉴튼의 프린키아가 큰 영향을 미쳤다. 그러나 그 "자연철학의 수학적 원리"는 최소의 분자로부터 최대의 행성에 이르기 까지 운동의 법칙을 제시하고 있으나, 복잡한 공기/대기의 작용을 밝히는 원리나 실마리가 부족했다.

  보일

이러한 보충원리를 가장 초기의 것을 발견한 사람이 바로 로버트 보일이다. 그가 밝힌 것은 기체의 체적과 압력의 관계에 관한 원리였다.

우리들은 이미 알고 있는 것 처럼 보일의 법칙에 의하면 "기체의 체적은 그 압력에 반비례하여 변화한다"는 것이다. 즉 기체의 체적이 감소하면 기체의 압력은 증가하고 그 반대 또한 정당하다는 것이다.

풍선을 불어서 부피를 늘린 후 풍선을 눌러 체적을 줄이면 결국 압력이 증가하여 터지고 만다.

  샤를

보일에 이어 18세기말 기체의 성질을 연구하던 프랑스의 물리학자 쟈크 샤를은 기체의 체적과 그 온도와의 관계를 발견했다. 이 샤를의 법칙은 기체의 압력이 일정하고 체적이 변하는 경우 체적의 변화에 비례하여 온도가 변화한다는 것이다.

즉 기체가뜨거울수록 기체의 체적은 커진다. 이 샤를의 법칙으로부터 차가운 공기의 수축과 따뜻해진 공기의 팽창을 계산하기 위한 수식이 나왔다.

샤를의 법칙은 흔히 다른 프랑스인인 조제프 게이-뤼삭이 발견했다고도 말한다. 비슷한 시대에 비슷한 실험을 하고 있었던 까닭이다. 어느 경우에나 원리는 보일 법칙의 연장으로서 보일 법칙에 온도라는 중요한 요소 를 첨가한 것이다.

오늘날에는 이 법칙은 보일의 법칙과 결부되어 보일-샤를의 법칙, 또는 기체의 법칙이라고도 불리며 스쿠버다이빙의 "성서"가 되어 있다.

   달톤

샤를의 법칙이 발견된 직후에 또 하나의 중요한 원리가 발견되었다. 1788년부터 1792년 사이에 영국의 화학자 존 달턴은 기압에 관한 많은 실험을 했다.

달톤은 기압계의 작용과 대기의 갖가지 상태, 즉 비, 풍향, 공기의 한난과의 관계를 연구하고 있었다. 이 연구를 통해 달톤은 달톤의 법칙 또는 분압의 법칙이라는 하나의 이론을 확립했다.

이 법칙에 의하면 여러가지 기체를 혼합하면 매개의 기체는 혼합되지 않은 단독 때와 같은 압력을 갖는다고 한다. 또한 혼합기체의 전압력은 개개의 기체의 압력의 합계라고 한다.

이 이론은 스쿠버다이빙의 안전을 위한 절대 절명의 이론이 되었다.

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NAUI Course Director

NAUI Nitrox diving Instructor

ASHI CPR Instructor

김승규

 팀 드레이크/team DRAKE