눈에 보이지 않지만 하는 일이 많은 공기

[일상 속] 샤를의 법칙, 보일의 법칙

by 유열음

Mar 27. 2022

A는 오랫동안 여행 가지 못해서 아쉬운 마음에 앨범을 폈다. 태국에서 보았던 풍등 축제는 정말 아름다웠다. 터키에서 보았던 열기구도 정말 멋졌다. 옛 추억에 잠기다 목이 말라 먹다 남은 음료수를 냉장고에서 꺼냈더니 페트병이 찌그러져 있다.

B는 텀블러에 물을 담고 뚜껑을 닫다가 갑자기 물이 넘쳤다. 당황스러워하며 물을 닦고 있고 옆에 어항 속 물방울이 위로 올라가면서 크기가 점점 커진다. 티비에서는 빨간 풍선이 하늘 높이높이 올라가다 갑자기 터진다.

A와 B는 모두 공기와 관련된 사례들을 겪었다. 공기는 어떻게 이런 현상들을 만들어낸 것일까?

초등학교 ver.

우선 공기에 대해 말하자면, 공기는 혼합물이다. 여러 종류의 기체들이 섞여 있는 상태다. 비율로 따지면 질소 78%로 가장 많이 차지하고 있고 산소 21%를 차지한다. 나머지 1%는 수증기, 아르곤, 이산화탄소 등등이 차지하고 있다.

공기는 우리 눈에 보이지도 않고 손에 잡히지도 않는다. 하지만 공기가 없다면 그 존재감을 여실히 느낄 수 있을 것이다. 호흡을 할 수 없는 것은 물론 자외선을 차단할 수 없게 되고 일교차가 매우 커질 것이다. 또한 소리를 들을 수 없게 되며 냄새 또한 맡을 수 없을 것이다. 비나 바람과 같은 기후 현상도 나타나지 않을 것이고 불을 피울 수 없을 것이다. 이렇게 공기는 우리에게 직접적으로 드러나지 않지만 존재감이 매우 크다.

특히나 공기가 없다면 우리를 누르고 있는 힘도 없어질 것이다. 우리가 못 알아차린 것일 뿐, 지금 이 순간에도 우리를 계속해서 누르고 있다. 공기는 무게를 가지고 있기 때문이다. 1m1m1m인 공간에서 공기의 무게는 약 1.2kg이다. 공기가 가지는 무게만큼 우리를 누르고 있다. 다시 말해 기체의 압력, 즉 기압이 작용한다.

또한 공기는 공간을 차지하고 있다. 대기 중 공기의 부피를 정확히 알긴 어렵지만 한정된 공간에서의 부피는 알 수 있다.

이렇듯 보이지도 잡히지도 않는 공기는 무게와 부피를 가지며 우리에게 영향을 주고 있다.

중학교 ver.

무게를 가진 물질들이 입자로 이루어진 것처럼 기체 역시 입자로 이루어져 있다. 물체를 이루는 입자는 스스로 움직인다. 입자 간의 간격은 물질의 상태에 따라 달라진다. 고체일 때는 입자 간의 간격이 가장 가깝고 기체일 때는 가장 멀다. 그러다 보니 기체의 입자는 다른 상태의 입자보다 훨씬 자유롭다.

여기 풍선이 하나 있다. 이 풍선이 이만큼의 크기를 유지하는 이유는 풍선 안팎의 기체 입자들이 누르는 힘이 똑같기 때문이다. 공기 입자는 모든 방향으로 끊임없이 움직이면서 미는 힘이 생긴다. 풍선 안에서 미는 힘이 더 크다면 풍선은 커질 것이고 풍선 밖에서 미는 힘이 더 크다면 풍선은 작아질 것이다. 여기서 미는 힘을 기체의 압력이라고 하고 풍선의 크기는 기체의 부피를 의미한다.

풍선의 크기가 유지되는 이유는 풍선 안팎에서 기체 입자가 미는 힘이 같기 때문이다

이 풍선을 더 크게 만들라고 한다면 1) 공기를 더 주입하거나 2) 온도를 높여야 한다.

1) 공기를 더 주입하는 것은 기체 입자를 더 넣는 것이다. 자유로운 기체 입자들은 거리를 두며 움직이고 싶어 하기에 풍선의 크기가 더 커진다.

2) 온도를 높이는 것은 입자의 개수는 그대로인 채로 입자의 움직임을 활발하게 하는 것이다. 안그래도 자유로운 기체 입자들의 움직임이 더욱 격렬해지면서 더욱 바깥으로 향하는 것이다. 그래서 풍선의 크기가 더 커진다.

이렇듯 입자의 움직임은 온도에 따라 달라진다. 온도가 높아지면 움직임이 활발해지고 온도가 낮아지면 움직임이 둔해진다.

교과서 ver.

압력이 일정할 때 온도가 높아지면 기체의 부피가 증가한다. 이를 샤를의 법칙이라 한다.

앞서 얘기한 것과 같이 온도를 높이면 기체의 종류와 상관없이 입자의 움직임이 활발해지면서 부피가 커진다.

온도가 일정할 때 (외부) 압력이 커지면 기체의 부피가 작아진다. 이를 보일의 법칙이라 한다.

용기에 공기를 주입하니 풍선의 크기가 작아졌다

용기 안에 풍선이 있다고 해보자. 이 용기에 공기를 주입하면 풍선 밖 기체 입자가 미는 힘이 커진다. 즉 기압이 높아지는 것. 그러면 풍선의 크기가 작아지다가 어느 순간의 크기에서 멈출 것이다. 그 때 풍선 안에서 미는 힘과 풍선 밖에서 미는 힘이 같아졌기 때문이다.

풍선 내부의 압력 변화를 보자면, 공기를 주입하기 전보다 더 커졌다. 왜냐면 기체 입자의 움직임은 그대로 활발한데 부피가 줄어들면서 공간이 줄어들어 더 많이 밀게 된다. 그래서 외부의 기압이 높아졌음에도 풍선의 크기가 유지되는 것이다. 풍선의 부피가 줄어들면서 풍선 내부의 압력이 높아졌기 때문이다.

요약 ver.

앞 서론에서 A는 샤를의 법칙, B는 보일의 법칙에 대한 예시다.

풍등이나 열기구는 불로 공기를 데우면서 부피가 커지게 한다. 부피가 커진 기체는 위로 향하는 힘을 갖게 되어 뜨게 된다. 냉장고에 넣어둔 먹다 남은 음료수는 온도가 낮아짐에 따라 공기의 부피가 줄어들어 페트병이 찌그러진 것이다.

B는 텀블러 꼭지를 닫은 채 뚜껑을 닫았기 때문에 안의 물이 넘친 것이다. 뚜껑을 닫으면 텀블러 안의 기체 부피가 줄어들면서 기체 압력이 높아진다. 누르는 힘이 강해져 안에 들어있는 물을 밀어내 넘친 것이다. (꼭지를 열은 상태로 뚜껑을 닫으면 안 넘친다.) 물방울과 풍선 모두 올라가면서 크기가 커지다 터진다. 압력이 줄어들면서 부피가 커지다 터지는 것이다.

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