기체는 분자 간의 인력이 없는 상태이다. 고체나 액체에 비해 밀도가 낮고 일정한 모양과 부피를
갖지 않는다. 기체 분자들은 서로 멀리 떨어져 있어 액체나 고체처럼 분자 간의 응집력의 영향을
거의 받지 않는다. 그래서 기체 분자의 운동은 자유롭다. 이러한 성질을 가진 기체를 과학자들은
지구 대기나 행성의 대기처럼 기체 양이 매우 큰 경우까지 확장해서 연구하기도 한다. 기체에 대한
과학적 연구들을 살펴보도록 하자.
대기 대기압
기체는 끝없이 팽창할 수 있고 기체 분자들이 서로 충돌했을 때 운동에너지가 감소하지 않는다.
지구 대기처럼 기체의 양이 엄청나게 클 경우에만 만유인력에 의해 제한을 받는다. 공기 분자들은
태양에너지를 받아서 움직이지만 지구의 중력 때문에 지구 주위에 대기층이 형성된다. 지상에서
높이 올라갈수록 대기층은 얇아진다. 대기의 약 50%는 고도 5.6 km 아래에 있고 99%는 고도 30km
아래에 있다. 공기는 높은곳보다 해면 위에 더 많이 분포되어 있다. 사람들은 대기층의 밑바닥에서
생활하고 있는셈이다. 물의 무게로 인해 수압이 생기듯이 공기의 무게 때문에 생긴 압력을 대기압
이라고 한다. 1654년 마그데부르크의 시장이었던 게리케는 처음으로 대기압을 측정하는 실험을
하였다. 공기를 뺀 두 반구를 떼어내려고 양쪽에서 각각 여덟 마리의 말들로 당겼으나 반구를 떼어
낼 수 없었던 것이다. 공기의 위력을 ,정확하게는 , 대기압의 실체를 사람들에게 보여 주었다.
대기압은 일정하지 않다. 높이에 따라서 변하기도 하고 공기의 유동에 따라 혹은 지역적 특성에
따라서 변하기도 한다. 일기예보에서 대기압의 변화가 날씨에 중요한 요인이 되는 것이다. 시골에서
흔히 사용했던 지하수를 퍼 올리는 물펌프도 대기압의 작용을 이용해서 물을 퍼 올리는 것이다.
보일의 법칙
17세기 영국의 과학자 로버트 보일은 기체의 압력과 부피 사이의 관계를 연구하여 일정한 규칙을
발견한다. 온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피의 곱은 일정하다는 정의로 보일의 법칙이다.
한 순간의(압력x부피)는 다른 한 순간의(압력 x부피)와 같다. 기호로는 P1 V1=P2 V2이다. 이상기체
인 경우 보일의 법칙이 정확히 적용된다. 여기서 이상기체란 분자사이의 힘과 분자가 차지하는
부피가 무시할 정도로 작은 기체를 말한다. 보통의 압력 하에서 대부분의 기체와 공기는 이상기체와
비슷하게 활동한다. 보일의 법칙의 적용 예를 들어보면 풍선이 하늘 높이 올라갈수록 점점 커지다가
결국은 터지는 것이다. 하늘높이 올라갈수록 중력이 약해져 공기가 희박해진다. 그래서 풍선을 누르는
기압(압력)이 낮아지게 되서 풍선 안이 바깥쪽보다 압력이 커지게 되고 풍선 안에서 미는 힘이 더
커져서 풍선은 팽창하게 되는데 점점 커지다가 결국은 터지게 되는 것이다. 압력이 작아질수록 부피가
커지게 되는 것으로 보일의 법칙을 따른다.
샤를의 법칙
1787년 프랑스 과학자 샤를은 기체의 부피와 온도사이에 일정한 규칙을 발견하였다.
기체에 열을 가하면 기체 분자의 운동이 활발해지고, 분자 운동이 활발해지면서 분자들 사이의 거리가
멀어지며 부피가 팽창하게 된다. 이처럼 압력이 일정할 때 기체의 온도가 높아지면 기체의 부피가
증가하고, 온도가 낮아지면 부피가 감소하는 것을 샤를의 법칙이라고 한다. 샤를의 법칙의 예를 들어
보면 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 시간이 흐른뒤에 탁구공이 팽팽하게 다시 펴지는 현상을
볼 수 있다. 즉 샤를의 법칙에 따라 탁구공 안의 온도가 올라감과 동시에 내부 기체의 부피가 팽창하기
때문이다.
베르누이의 원리
압력이 정지상테의 유체에 작용하는 경우가 아닌 운동 상태의 유체인 경우에는 다른 효과가 발생한다.
폭풍 속에서의 대가 압은 증가하는가? 아니다. 폭풍의 영향으로 지붕이 날아가거나 나무가 뽑히기도
하지만 폭풍속의 대기압은 고요하고 낮다. 유체의 속력이 증가하면 압력이 감소하게 되는 것이다.
1738년 스위스 과학자 다니엘 베르누이는 유체의 속력과 압력 사이의 관계를 연구해서 발표하였다.
유체가 운동할때 기압이 낮아지는 현상을 베르누이의 원리라고 한다. 즉 기체나 액체의 흐르는 속도가
증가하면 그 부분의 압력이 낮아지고, 유속이 감소하면 압력이 높아진다는 뜻이다. 베르누이의 원리는
에너지 보존법칙을 뜻한다. 같은 유체가 흐를때 움직임에 의한 운동 에너지. 압력에 의한 위치 에너지.
위치에 의한 중력 에너지. 이 세 에너지의 합은 어느 지점에서나 일정하다는 것이다.
베르누이의 원리를 응용한 예를 들어보자. 비행기 날개를 들 수 있다. 비행기 날개를 옆에서 보면
위쪽은 둥글게 되어있고 이래쪽은 평평하게 되어있는 것을 볼 수 있다. 비행기가 달리게 되면 비행기
날개 위 아래로 공기의 흐름(유체)이 발생하게 된다. 그런데 날개 아래쪽보다 위쪽이 더 둥그스름하니까
공기가 아래 쪽보다 더 빨리 움직이게 된다. 아래쪽보다 위쪽의 공기가 더 빠르게 움직이므로 날개
위쪽의 압력이 아래보다 더 낮아지게 된다. 공기라는 것이 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 힘을 주게
되므로 아래 공기가 위쪽으로 이동하게 되고 이 공기가 비행기 날개를 위로 들어 올리게 되는 것이다.
야구경기에서 투수가 던지는 커브볼도 베르누이의 원리가 적용된다. 야구공에 회전을 주면서 던지면
회전하는 공은 유선을 한쪽으로 밀집시켜서 압력이 커져서 공의 진행방향을 한쪽으로 휘게 하는 것이다.
이상에서 기체에 대한 과학자들의 여러 여구들을 살펴보았다. 대기층의 바닥 부근에서 살고 있는
인간은 항상 저 대기층의 윗부분에 가보고 탐구해보고 싶은 욕망이 있었고 이런 욕망은 기체. 대기에
대한 연구로 이어지고 이러한 연구결과를 발판으로 비행기를 만들어 마침내 대기층으로 날아 오를수
있게 되었고 지금은 더 나아가 대기가 더욱 희박하거나 없는 저 우주로의 여행을 준비하고 있다
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