압력이란 무엇인가 ? 뉴턴, 파스칼 그리고 토리첼리

압력이란 말은 우리 주위에서 많이 듣고 하는데 그 정확한 의미를 사용것 같지는 않다.

일상생활에서 말하는 압력이란 누구에게 심리적인 압박을 가할 상황을 뜻하는 말이다.

일상적인 용어가 물리에서 사용하는 압력에 대하여 알아 보자.

 

▣ 압력(Pressure) 이란 ?

압력이란 어떤 특정한 면에 힘이 작용할 때 발생한다. 그 힘은 면에 수직방향으로 작용할 때를 말하며

압력의 크기는 면에 작용하는 힘의 크기를 면적으로 나누어서 산정한다.

위 그림에서 어떤 사람이 세워져 있는 나무판에 한쪽 방향으로 힘을 가하면 그 방향으로 '압

력'이 생긴다. 압력이 발생하려면 특정한 방향으로 힘이 작용해야 하고 그 힘이 작용하는

부분에 면적 (유체의 경우에는 밀도가 다른 물체가 접촉하는 면)이 있어야 한다.

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⊙ 밀도에 대한 영향

압력은 물질의 밀도에 영향을 주게 된다. 압력이 높아지면 압력을 받는 물체를 구성하는 입

자의 밀도가 높아지고 압력이 낮아 지면 입자의 밀도가 낮아진다. 그런데 이는 주로 기체에

서 발생하는 현상이고 고체와 액체에서는 압력이 밀도에 미치는 영향은 거의 없다고 보아도

무방한다.

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▣ 압력의 계산

아래 그림과 같이 어느 평판(Plate) 위에 힘이 작용하게 되면 평판(Plate)에는 힘이 작용

하는 방향으로 압력이 발생한다. 이 때 평판(Plate)에는 균일하게 힘이 작용한다고 하자.

 

평판(Plate) 위에 발생하는 압력의 크기는 압력의 정의식을 이용하면 아래식과 같이 구할

수 있다.

 

⊙ 힘의 단위인 N에 대하여 알아 보자

우리는 흔히 질량과 중량을 혼용하여 사용하고 있다. 엄밀히 말하면 질량과 중량(무게)는

다른 말이다. 지량은 비교한 값이다. 물을 기준으로 물과의 중량이 얼마나 차이가 나느냐

하는 비교한 값을 말한다. 반면 중량(무게)는 질량에 지구에서 작용하는 중력을 반영한

값이다. 따라서 무게는 질양에 지구의 중력가속도를 곱하여 산정한다.

질량의 단위로는 g, ㎏ 을 쓰고

중량(무게)의 단위로는 gf, ㎏f, N을 쓴다.

한글 표현은 gf는 '그램중' ㎏f는 '킬로그램중'으로 말하고 영어 표현으로는 gf는 '그램포

스' ㎏f는 '킬로그램 포스'로 부른다. N는 한글이나 영어나 모두 '뉴턴'으로 표현한다.

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⊙ N(뉴턴)을 gf로 변환하는 방법

1[㎏f] = 9.8 [N] 이다.

중량(무게) = 질량 × 중력가속도

W(Weight) = m (mass) × g (gravity acceleration) 이다.

예제) 1[N]은 몇 gf인가 ?​

▣ 압력의 단위

우리가 일상생활에서 대기압이란 말을 종종 사용한다.

대기압의 단위는 영어의 Atmosphere를 줄인 'atm'를 사용하고 에이티엠으로 읽는다.

대기압은 일종의 공기의 압력을 말한다. 과학자들은 [atm] 이외에 또 다른 대기압 단위를

사용하는데 [bar]를 사용한다. 1[bar]는 100,000[pa]로 하기로 과학자들간에 약속을

하였다. 문제는 1[bar]가 1[atm]이 아니라는 것이다. 여기서 Pa은 압력의 단위로서

1[㎡]에 1[N]의 힘이 가해졌을 때의 압력단위를 나타낸다. Pa는 파스칼로 부른다. 1[atm]

은 101,325[pa]이고 이를 Pa의 10만배인 bar로 변환하면 1.01325[bar]가 된다.

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[atm] 단위가 나오게 된 것은 이탈리아 과학자 토리첼리의 수은주 실험에서 1기압이 수은

주 760 [㎜Hg]가 되는 실험을 통해서다. 1643년 이탈리아 과학자 토리첼리가 0[℃]의

해수면에서 수은을 이용하여 '수은기둥실험'을 하니 대기압[atm]이 101,325[Pa]가 되었

다는 것에서 유래하였다.

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그럼 정말 1[atm]이 101,325[Pa]가 되는지 알아 보자.​

위 식을 밀도를 이용하여 변환을 하면 다음과 같다.

 

부피와 밀도를 이용하여 압력식을 변환하여 보자.​

이제 위 공식을 이용하여 1[atm]을 Pa 단위로 변환하여 보자.

 

수은액이 수조에서 대기와 만나는 면에는 표준대기압 즉 1[atm]이 작용을 하고

수은주의 위 부분에서는 진공상태이므로 0[atm]의 대기압을 보인다. 따라서

"1" 대기압의 차이에 의하여 수은주가 올라가게 된다.​

그러므로 날씨와 관련된 대기압에는 [atm]을 사용하고 가스탱크 등과 관련된 공기압을

말할 때는 [bar]를 사용하면 되겠다.

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