대기압

대기 중에 있는 기체 원자와 분자는 다른 모든 물질과 마찬가지로 지구의 중력에 의한 인력을 받는다.

그 결과 지구 표면 근처에서의 공기의 밀도가 고지에서보다 훨씬 크다.

(9 km 상공 에 있는 비행기의 객실 외부 공기는 너무 희박해서 숨을 쉴 수가 없다)

사실 지구로부터 떨어짐에 따라 공기의 밀도는 급격하게 감소된다.

지표면으로부터 6.4 km 내에는 대기의 약 50%, 16 km 내에는 90%, 32 km 내에는 99%가 존재한다.

공기의 밀도가 커지면 당연히 압력도 커진다.

지구의 대기에 노출된 어떤 면적이 받는 힘은 그 면적 위에 있는 공기 기둥의 무게와 같다.

지구의 대기에 의해 가해진 압력을 대기압(atmospheric pressure)이라고 한다(그 림 5.1).

그림5.1 해수면에서 대기권 상층부까지 뻗친 공기 기둥.

 

대기압의 실제 값은 위치, 온도, 날씨에 따라 달라진다.
대기압의 정의로부터 추측할 때 대기압은 아래 방향으로만 압력을 가할까? 

그렇다면 머리 위에 종이 한 장을 양손으로 꼭 쥐고 있다면 어떤 일이 일어나게 되는지 상상해보자.

공기의 압력 때문에 종이가 휠 것이라 예상되지만 실제로는 그렇지 않다.

그 이유는 공기도 물처럼 유체(fluid)이기 때문이다.

유체 내에 있는 어떤 물체에 가해지는 압력은 모든 방향(왼쪽, 오른쪽은 물론 아래쪽, 위쪽)으로부터 온다.

분자 수준에서 공기압은 공기 분자와 그것이 접촉하는 표면과의 충돌로 인한 결과이다.

 

압력의 크기는 분자가 얼마나 빈번하게, 얼마나 강하게 표면에 충돌하느냐에 따라 좌우된다.

위에서 종이와 충돌하는 문 하는 분자가 있기 때문에 종이는 평평하게 유지된다.

대기압은 어떻게 측정할까?

가장 친숙한 대기압 측정 장치는 기압계(barometer)이다. 

간단한 기압계는 한쪽 끝이 막혀 있고 수은으로 채워진 긴 유리관으로 되어 있다.

공기가 유리관 속으로 들어가지 않도록 주의하면서 수은이 담겨져 있는 용기에 유리관을 조심스럽게 거꾸로 세우면, 약간의 수은이 관으로부터 빠져나오고 꼭대기는 진공이 된다(그림 5.2).

그림5.2 대기압을 측정하는 기압계.

 

관에 남아 있는 수은의 무게는 용기에 있는 수은 표면에 가해진 대기압에 의해 지탱된다.

표준 대기압(standard atmospheric pressure, l atm)은 0°C 해수면에서 정확히 760 mm (76 cm)의 수은 기둥을 지탱하는 압력과 같다. 

 

다시 말하면, 표준 대기압은 760 mmHg의 압력과 같은데 여기서 mmHg는 1 mm 높이의 수은 기둥에 의한 압력을 나타낸다. mmHg 단위는 기압계를 발명한 이탈리아의 과학자 토리첼리(Evangelista Torricelli)의 이름을 따서 토르(torr) 라고도 한다. 따라서,
1 torr = 1 mmHg

그리고
l atm = 760 mmHg (정확히)
        = 760 torr

기압(atm)과 파스칼(Pa) 사이의 관계(부록 1 참조)는 다음과 같다.

 

1 atm = 101,325 Pal
         = 1.01325 × 10 Pa
1000 Pa = 1 kPa (kilopascal)이므로 latm = 1,01325 × 10 kPa

 

그림5.3 기체 압력의 측정에 사용되는 두 가지 형태의 압력계 (a) 기체 압력이 대기압보다 낮은 경우. (b) 기체 압력이 대기압보다 높은 경우.

압력계(manometer)는 대기 이외 다른 기체의 압력을 측정하는 장치로 작동 원리는 기압계와 비슷하다.

그림 5.3에서 나타낸 것처럼 두 가지 형태의 압력계가 있다. 막힌 관 압력계는 보통 대기압보다 낮은 압력을 측정하는 데 사용되며[그림 5.3(a)], 열린 관 압력계는 대기압과 같거나 대기압 이상의 압력을 측정하는 데 편리하게 사용된다[그림 5.3(b)].

수은은 해로운 증기를 가진 독성 물질이지만 거의 모든 기압계와 압력계는 작동 유체로 수은을 사용한다. 

왜냐하면 대부분의 다른 액체에 비하여 수은의 밀도(13.6 g/mL)가 매우 크기 때문이다. 

액체 기둥의 높이는 액체의 밀도에 반비례하기 때문에 수은을 사용하면 다루기 쉬운 소형의 기압계와 압력계를 만들 수 있다.