일상 속 물리 - 압력 밥솥

커피를 마시고 난 후면 집안 일들이 눈에 들어온다. 카펫에 뭉텅이로 돌아다니는 고양이털들을 진공 청소기로 청소를 하고, 고양이 화장실에서 감자와 맛동산을 치운 후에는 압력 밥솥에 밥을 한다.

압력 밥솥은 뚜껑을 닫으면 밀폐가 되어 공기가 빠져 나오지 못한다. 이 상태에서 밥솥에 열을 가하면, 공기가 뜨거워진다. 공기의 압력이 일정한 상태에서 공기의 온도가 올라가면, 공기 분자의 운동이 활발해지면서, 공기가 팽창한다. 이것을 샤를의 법칙이라 한다.

자크 샤를은 1746년 11월 12일 프랑스 브와유크레(Boyelles)에서 태어났다. 특별한 과학 교육을 받지 않았지만, 독학으로 과학과 수학에 깊은 관심을 가지게 되었다. 1783년, 샤를은 수소 기체를 사용한 기구를 제작하여 성공적인 비행을 시도했다. 이 연구는 그가 기체의 성질에 대해 깊은 관심을 가지게 되는 계기가 되었다. 샤를은 다양한 온도에서 기체의 부피 변화를 관찰하는 실험을 했다. 그 결과, 일정한 압력 하에서 기체가 가열되면 부피가 증가하고, 냉각되면 부피가 감소하는 것을 발견하게 된다. 샤를은 그의 발견을 공식적으로 발표하지 않았다. 그러나 그의 연구는 1802년에 조제프 루이 게이뤼삭에 의해 실험적으로 확인되었다. 게이뤼삭은 샤를의 법칙을 공식으로 만들어 발표하였고, 이 법칙은 샤를의 이름을 따서 "샤를의 법칙"으로 불리게 되었다.

공기가 밀폐된 용기 안에 있어서 팽창을 하지 못하는 경우에는 공기의 압력이 올라가면, 공기의 온도가 올라간다. 이것을 게이뤼삭의 법칙이라 한다. 조제프 루이 게이뤼삭은 1778년 프랑스 오트비엔(Haute-Vienne) 주의 생레오나르드드노블에서 태어났다. 그는 파리 국립 고등학교(Ecole Polytechnique)에서 교육을 받았으며, 여기서 수학, 물리학, 화학에 대한 기초 지식을 쌓게 된다. 게이뤼삭은 기체의 부피를 일정하게 유지하면서 온도와 압력 변화를 측정할 수 있는 실험 장치를 만든다.

당시 가장 널리 사용된 온도 측정기는 수은 온도계이었다. 게이뤼삭은 이 수은 온도계를 사용하여 기체의 온도를 정확하게 측정했다. 기체의 압력은 U자형 관에 수은을 채운 마노미터를 사용하여 측정했다. 마노미터는 한쪽 끝은 기체가 담긴 용기와 연결되어 있고, 다른 한쪽 끝은 대기압과 접촉해 있는 압력 측정 기구이다. 기체의 압력이 U자형 관에 담긴 수은 기둥의 높이차로 나타나기 때문에 정확한 압력 측정이 가능하다. 실험에는 기체의 일정한 부피를 유지할 수 있는 밀폐된 기체 용기를 사용했다. 이 용기는 기체의 부피가 변하지 않도록 하여 온도와 압력 간의 관계를 정확히 측정할 수 있도록 했다. 용기는 견고한 금속이나 유리로 만들어졌으며, 외부에서 온도를 쉽게 조절할 수 있게 설계되었다. 이 기체의 온도를 일정하게 유지하거나 변화시키기 위해 열수조를 사용했다. 기체가 담긴 용기를 열수조에 넣어 가열하거나 냉각함으로써 다양한 온도 조건에서 실험을 수행할 수 있었다. 이러한 장비들을 사용하여 게이뤼삭은 기체의 물리적 성질에 대한 중요한 법칙을 발견할 수 있었다.

압력 밥솥으로 밥을 하면, 온도가 빠르게 올라가서 밥이 빨리된다. 높은 온도에서 밥이 익어서 그런지 밥맛이 좋다.