1. 기체의 기본개념
물질의 3가지 성분인 고체, 액체, 기체 중, 기체는 우리에게 매우 친숙하며 또한 우리 일상생활을 통해 매일 접하는 물질이며 우리가 호흡하는데 절대적으로 필요한 물질로서 어떤 성질을 가지고 있는지 잘 알고 있다. 인간은 표 8.1에서 보는 바와 같이, 부피 %로 약 78 %의 질소, 21 %의 산소, 그리고 소량의 아르곤, 이산화탄소 등의 다른 기체로 이루어진 공기의 혼합물 속에서 생활하고 있다. 기체는 용기의 부피와 모양에 따라 쉽게 변하며, 또한 쉽게 압축되거나 팽창된다. 기체 분자들 간에는 서로 완전히 섞이며, 액체나 고체에 비해 같은 무게에 대해 큰 부피를 가져 훨씬 낮은 밀도를 갖는다.
2. 기체의 압력
기체 분자들은 그림 2에서 보는 바와 같이, 끊임없이 어느 속력을 가지고 불규칙적으로 운동하고 있다.
이러한 기체 분자들은 제멋대로 움직이면서 서로들 간에 충돌하며 용기의 벽과도 충돌하게 된다. 기체분자가 기체 용기의 벽과 충돌하게 되면 용기의 벽에 힘을 전달하게 되는데, 이렇게 벽의 단위면적에 작용하는 힘을 압력이라 한다. 기체는 기체를 가두고 있는 기체 용기의 모든 면에 대해 균일한 힘을 전달하므로, 압력 또한 그 해당 기체에 대해서는 균일하다고 할 수 있다. 뉴턴의 운동 제2법칙에 따르면, 힘은 다음과 같이 정의된다.
힘 (F) = 질량 (m) x 가속도 (a) ,
질량의 단위는 SI 단위로 kg, 가속도는 m/s2 이므로, 힘은 kg․m/s2 이 된다. 이것은 힘의 SI 단위인 Newton (N) 과 다음과 같이 관련된다.
1 Newton (N) = 1 kg․m/s2
압력은 단위면적당 힘으로 정의되므로,
힘/단위면적은 N/m2 로서 이것은 압력의 SI 단위인 Pascal (pa)이 된다. 즉 1 Pascal (Pa) = N/m2 = kg/m․s2
여기서 압력의 SI 단위인 Pascal (Pa)는 프랑스의 수학자이며 물리학자인 파스칼의 이름으로부터 따온 것이다. 1 Pa은 실제로 대단히 적은 양으로서, 10.2 ㎎의 질량이 1.00 ㎠의 면적에 작용하는 압력이다.
대기 중의 기체 분자는 다른 모든 물질처럼 지구 중력의 영향을 받는다. 그러므로, 대기는 높은 고도에서 보다는 낮은 고도인 지구 표면에 더 밀잡되어 있고, 지구 표면에 힘을 가지고 충돌하므로써 압력을 발휘하게 된다. 대기가 있는 지역에서 작용하는 힘은 대기 위의 공기 기둥의 무게와 같다. 공기 기둥이 작용하는 압력을 대기압이라고 부른다.
대기압은 그림 4에서 보는 것과 같은 장치를 이용하는 기압계로 측정된다. 그림 4에 보여 지는 바와 같이, 기압계는 수은이 채워진 가늘고 긴 한쪽 끝이 막힌 관에 수은을 채운 다음, 수은이 채워진 용기 그릇에 거꾸로 세움으로써 만들어진다. 관 속에 있는 수은에는 두 가지 힘이 작용한다: 수은의 무게에 의한 중력 때문에 아래로 잡아 당기는 힘 그리고 공기 압력에 의해 위로 밀어 올리는 힘. 이 두 힘이 균형을 이룰 때 관 속의 수은은 멈추게 된다.
즉, 대기의 압력이 관 속에 있는 수은의 무게를 지탱할 수 있을 때까지 관에 있는 수은은 내려오게 된다. 수은 기둥의 높이는 대기 압력에 비례하기 때문에 대기의 압력은 수은 기둥의 높이 (mm Hg)로 표시된다. mm Hg로 표시되는 수은 기둥의 높이가 바로 mm Hg 로 표시되는 대기 압력 값이다. 1 mm Hg를 지탱하는데 필요한 압력의 크기와 같은 단위를 torr 라고 하는데, 이는 기압계의 원리를 발견한 이탈리아의 물리학자 토리첼리(Toricelli)의 이름에서 유래되었다. 자연과학에서는 SI 단위가 많이 사용되고 있지만, 압력의 측정 단위로서 파스칼(Pa)은 불편하다. 따라서, mm Hg나 기압(atm)이 압력단위로 일반적으로 많이 사용되고 있다. 대기는 해면에서 일반적으로 760 mm의 수은 기둥을 지탱하기 때문에 1기압은 760 mm Hg 또는 760 torr 이다.
1 atm = 760 torr = 760 mm Hg
수은의 밀도는 알려져 있으므로 (0℃에서 13.5951 g/㎤), 주어진 면적에 작용하는 수은 기둥의 질량을 계산하는 것이 가능하다. 9.80665 m/s2인 중력 가속도 값을 이용하면, mm Hg와 파스칼(Pa) 사이의 변환이 가능해진다.
13.5951g/㎤ x 76 cm = 1033.227 g/㎠ = 1.033227 x 104 kg/㎡
(1.033227 x 104kg/㎡)(9.80665m/s2) = 101,325Pa
1 atm = 760 mm Hg = 101,325 Pa = 101.325 kPa
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