압력이란 물체와 물체의 접촉면 또는 물체 내에 가정한 면을 사이에 두고 서로 수직으로 미는 힘을 말 한다.
면 전체에 걸리는 힘을 전압력, 그 면의 단위면적당 작용하는 힘을 압력의 세기라 한다.
압력의 크기만을 말할 경우에는 압력의 세기로 나타내는 것이 보통이다.
지표상에 있는 물체는 모두 대기압 아래 있으므로 압력의 크기를 나타낼 때는 대기압도 포함해서 말하는 경우와
대기압을 기준점 즉 0으로 하고 대기압 이외의 압력의 크기를 말하는 경우를 구별할 필요가 있다. 대기압을 포함할 경우를
절대압력, 대기압을 기준점으로 하는 경우를 보통압력 또는 게이지압력이라 하며, 공업 방면에서는 보통압력을 사용한다.
대 기 압
우리가 살고 공간의 공기는 무게가 없는 것처럼 느껴지지만, 실제로 공기는 무게를 가지고 있어 우리가 살고 있는 지면에 가하는 힘이 존재한다. 이를 대기압이라고 한다. 1 대기압은 수면에 가해지는 공기의 무게를 기준으로 하고 있는데 이 무게는 지구상의 위치나 기상 상태에 따라 약간씩 다르므로 위도 40도 지역에서 1년간 측정된 값을 평균한 것을 표준 기압으로 삼고 있다. 1 대기압은 1.033kg/cm2 이며 이 무게는 바닷물 10m(민물 10.3m)의 무게와 같다. 또한 압력은 방향이나 압력을 받는 물체의 형태와 상관 없이 일정하다. 7세기의 과학자 갈릴레오는 공기도 무게를 갖고 있다는 것을 발견하였다. 균형저울의 양쪽에 각각 공기가 담긴 용기와 모래를 올려 놓아서 균형을 맞추고,공기가 담긴 용기에 더 많은 공기를 주입한 뒤에 다시 올려 놓았더니 저울이 공기쪽으로 기울었다. 이런 갈릴레오의 실험을 바탕으로 이탈리아의 수학자인 톨리첼리는 "사람은 공기로 채워진 바다의 바닥에서 살고 있다." 라고 생각하였고 사람이 영향을 받고 살아가는 공기의 무게를 측정하고자 하였다. 이탈리아의 물리학자 톨리첼리는 4 feet 길이 유리관의 한 쪽을 봉한 뒤 수은을 가득 채웠다. 나머지 한 쪽을 손으로 막아서 수은이 흘러 나오지 않도록 한 뒤 수은이 채워진 그릇에 유리관의 열린 부분이 수은에 잠기도록 세웠다.
유리관의 손가락으로 막은 부분을 개방하자 유리관 속의 수은은 약 760 mm의 높이까지 내려와서 멈추었고 유리관의 막힌 부분 쪽에 진공 상태의 공간이 형성되었다.톨리첼리는 이 실험을 통하여 공기의 무게가 760 mm 높이의 수은기둥의 무게와 같다는 것을 발견하였다.후에 프랑스의 과학자 파스칼은 대기중에 공기의 누적된 무게는 어느 곳 에서나 일정하며 해수 10 m (담수 10.3 m) 의 물의 무게와 같다는 것을 실험을 통하여 증명하였다.하늘로 점점 올라 갈수록 기압은 작아져 결국에는 0이 되고 마는데 이러한 조건에 사람이 있게 되면 여기에 표현할 수 없을 정도의 치명적인 결과를 가져온다. 하늘로 점점 올라 갈수록 기압은 작아져 결국에는 0이 되고 마는데 이러한 조건에 사람이 있게 되면 여기에 표현할 수 없을 정도의 치명적인 결과를 가져온다. 예를 들어 지상에서 풍선을 공중에 띄웠을 때 풍선은 하늘 높이 올라가게 되는데 풍선 주위의 압력이 점점 작아지기 때문에 부풀어 오르다가 결국에는 풍선 내부의 압력이 외부의 압력보다 훨씬 커지면 터져버린다. 반대로 물속에 들어가면 갈수록 대기의 압력이 아닌 수압(어떤 물체에 가해지는 물의 압력)이 작용하는데 수압은 위에서도 언급했듯이 10m에 1기압이 증가한다. 그러므로 물속에 들어갔다 나올 때는 천천히 나와야지 급하게 나오면 핏속에 녹아들어간 질소성분의 조정이 정상적으로 이루어지지 않아 잠수병에 걸린다
▷ 대기압이 변화할 때 나타나는 현상은?
※ 비행기가 이륙할 때나 높이 올라갔을 때 비행기의 구조가 완전히 밀폐되어 있지 않는 한 외부의 낮은 압력에서 비행기 안의 높은 압력을 빼앗아 갈 때
몸 속의 압력과 기내의 압력 차가 발생하여 고막에 영향이 미쳐 귀가 멍멍해지는 현상이 발생한다.
※ 기차가 굴속을 통과할 때도 굴에 진입하는 순간 공기가 압축되어
체내 압력보다 외부 압력이 높아져 (베르누이의 정리에 의하여) 귀가 멍해지는 현상이 나타나게 된다.
※ 풍선이나 애드벌룬이 뜨는 것도 물위에 배가 뜨는 것처럼 풍선 속에 채운 기체가 공기보다 가벼워 하늘로 솟아오르는 것이다.
수압
수압이란 물 속에 잠긴 물체에 가해지는 물의 무게를 말한다.
수압 역시 대기압과 같이 일정 수심에서는 방향이나 물체의 형태와 상관 없이
동일한 압력이 가해진다.
1 대기압 = 10 m (해수) = 33 feet (해수)
압력단위
압력은 계기압과 절대압으로 나누어 지며 계기압은 수압과 같다.
계기압은 1 대기압 상태에서 0을 나타내며, 압력이 증가하면 대기압과의 차이만을 나타낸다.
즉 우리가 항상 느끼고 있는 1 기압의 압력을 제외한 압력만을 보여 주는 것이다.
수심계가 수면에서 0을 가리키고, 탱크 내부의 공기를 다 소모해서 1 기압 상태의 주위압력과 동일해 졌을 때 잔압계가 0을 나타내는 것과 같다.
그러나 수중에서 다이버에게 실제로 가해지는 압력은 계기압과 대기압을 합한 절대압이다.
수면에서부터 일정 수심까지의 물의 누적된 무게가 수압이다.
앞에서 설명된 톨리첼리와 파스칼의 실험을 통하여 해수 10m (33 feet) 의 수압은 1 기압과 같다는 것을 알 수 있으며,
절대압은 기압과 수압을 합한 것과 같으므로 수심 10m 에서의 절대압은 2 기압이 된다.
결국 다이버에게 영향을 미치는 주위압력은 절대압과 같고 절대압은 수압 (계기압) 에 1 기압 (14.7 psi)을 더한 것과 같다
[ 절대압은 기압과 수압의 합과 같다 ]
예 1) 담수의 수심 17.4m (57 feet) 에서의 계기압은 ?
0.97 기압/m X 17.4 m = 1.69 기압
0.432 psi/feet X 57 feet = 24.6 psi
예 2) 해수의 수심 18.6 m (61 feet) 에서의 절대압은 ?
1 기압/m X 18.6 m+1기압 = 2.9 기압
0.455 psi/feet X 61 feet + 14.7 psi = 41.8 psi
(1 기압 = 14.7 psi)
예 3) 해수의 수심 20 m (66 feet)에서 주위압력은 ?
1 기압/10m X 2 + 1 기압 = 3.0 기압
14.7 psi X 2 + 14.7 psi = 44.1 psi
부분압
기압이 증가하여 부피가 줄어들어도 기체를 구성하는 성분비율은 변하지 않으며 각 구성 기체의 부분압은
증가한다. 구성기체들의 부분압의 합은 전체의 압력과 같다
혼합기체에서 한 성분만이 전체 부피를 차지했다고 가정했을 때의 압력.부분압 또는 분압이라고도 한다.
혼합기체 속에서 각 성분 기체가 나타내는 압력을 말한다. 이에 대하여 혼합기체 전체의 압력을 전체압력 또는 전압력이라고 한다.
혼합기체의 전체압력은 각 성분의 부분압력의 합과 같다. 이것을 돌턴의 부분압력의 법칙이라 한다.
1801년 영국의 화학자 J.돌턴에 의해 발견된 혼합기체의 압력에 관한 법칙이다. 일정한 부피를 갖는 혼합 기체의 전체 압력은 각 성분기체가 같은 온도에서 같은 부피를 차지할 때의 부분압력의 합과 같다는 달톤의 법칙을 만들어냈다. 예를 들어 어떤 온도에서 1atm인 산소 1ℓ와 1atm인 질소 1ℓ를 섞어서 2ℓ의 혼합기체를 만들었다면 산소 및 질소의 부분압력은 모두 1/2atm이다. 이 때 혼합기체의 전체압력은 1atm이다. 다시말해 1기압중의 산소의 부분압은 0.2기압 (2.94psi) 이고 질소의 부분압은 0.8기압(11.76 psi)이다. 그러나 5기압에서 산소의 부분압 은 0.2 X 5 = 1기압이 되며 질소의 부분압은 0.8 X 5 = 4 기압이 된다. 즉 5기압 상태에서 산소의 부분압은 1기압이 되며 이 기체를 호흡하면 100% 순수한 산소를 호흡하는 것과 같은 양의 산소분자를 호흡하게 되는 것이다. 만약 스쿠버 탱크 내부에 일산화탄소가 2% (부분압 0.02 기압) 정도 포함된 공기가 주입되었을 경우 1기압 상태의 육상에서는 별 문제가 되지 않는다. 그러나 이 공기를 수심 40m (5기압)에서 호흡할 경우에는 일산화탄소의 부분압이 0.1로 증가하여 1기압 상태의 육상에서 10%의 일산화탄소가 포함된 공기를 호흡하는 것과 같은 효과를 갖게 되며 이 공기를 호흡하는 다이버는 위험해 질 수도 있다
밀도
-대기 밀도
밀도란 단위 부피의 무게를 말하며 대기의 공기밀도는 1.21 g/ℓ (0.08 pound/feet3) 이다. 즉 1리터당 1.21g의 무게를 갖는다.
그러므로 용량이 2,286 ℓ (80 feet3)인 스쿠버 탱크 내부에 주입된 공기의 무게는 2.8kg (6.4 pound) 이 된다.
공기의 밀도는 고도와 수심에 따라 변하며 고도가 높아질수록 밀도는 낮아지고 수심이 깊어질수록 밀도는 커지게 된다
-물의 밀도
물은 비압축성 물질이다. 즉, 수심에 따라 압력이 변하여도 압축되거나 팽창하지 않고 동일한 부피와 밀도를 유지한다.
해수의 밀도는 1.025 kg/ ℓ (64.0 pound/feet3)이고 담수의 밀도는 1.0 kg/ ℓ (62.4 pound/feet3) 이므로 해수의 밀도가 담수보다 약 2.6% 크다
부력
B.C220년경의 고대 그리스 수학자이며, 물리학자인 아르키메데스는 시라쿠사의 히에론왕으로부터 한가지 숙제를 받게된다. 그것은 왕이 금으로 만든 새로운 왕관을 구했는데 이 금관에 은이 섞여 있다는 소문이 나돌았다. 이에 왕은 아르키메데스에게 이것이 진짜 금관인지를 밝혀 내라는 명령을 받게 된다. 이 명령을 받고 고심을 하던 아르키메데스는 우연히 목욕탕에서 이 문제에대한 해결책을 발견하게 된다. 그것은 아르키메데스가 물이 가득찬 탕 속에 몸을 담그는 순간 물이 밖으로 넘쳐 흐르고 몸이 물에 뜨는 현상을 발견하였으며 이 현상을 이용하여 금관에 은이 섞여 있음을 증명하였다
그는 이 현상에서 모든 물체는 액체(기체)속에 들어가면 액체속에 잠긴 부피만한 액체무게만큼 가벼워 진다는 원리를 발견한 것이었다.
물체가 액체 속에 들어가면 액체로부터 압력을 받는다. 이때 받은 압력은 길이에 비례하여 커진다. 물체의 위쪽과 아래쪽에서 받는 압력의 차이에서 생기는 것이 부력이며 부력은 아래쪽에서 위쪽으로 작용하며 중력은 물체의 아래로 작용한다. 이때 부력과 중력의 힘이 같으면 물체는 물위에 떠있는 것이다. 이 원리는 물질의 비중을 측정하는 기초가 될 뿐 아니라 옛날부터 뱃짐등의 복잡한 형태를 가진 물체의 부피를 계산하는데 응용되었다. 물과 비교되는 부력은 물체의 비중에 큰 영향을 받는다. 물과 비교되는 상대적인 밀도를 비중이라고 한다. 금속체는 물보다 비중이 크기 때문에 가라앉으며 나무와 같이 물보다 비중이 낮은 물질은 물에 뜨는 것이다. 바닷물과 민물은 밀도가 다르며 바닷물이 민물보다 밀도가 크기 때문에 부력이 더 크고 몸이 잘 뜨는 것이다. 인체의 비중은 거의 1.0 에 가깝다. 그러나 사람마다 조금씩의 차이는 있으며 일반적으로 뚱뚱한 사람이 비중이 낮고 마른 사람이 조금 높은 비중을 갖는다. 때문에 뚱뚱한 사람이 물에 더 잘 뜨는 것이다