과학의 발전 이전에는 공기는 무게가 없을 것이라고 많은 이들은 생각했을 것이다. 이런 와중에 토리첼리(에반젤리스타 토리첼리, Evangelista Torricelli, 1608~1647)는 공기도 무게가 있을 것이라는 생각을 하게 되었으며, 실험을 통해 이를 증명하였다.
즉, 수은이 가득 차 있는 욕조의 수은면으로부터 유리 시험관 내부로 760mm만큼 올라가 있는 것을 보고는 공기가 무게를 가지고 수은을 밀고 있다고 이야기했다. 그리고 이 힘을 1atm(기압)이라 정의했으며, 수은의 높이이므로 760mmHg라 표기했다. 후인 과학자들은 그의 이름을 따서 mmHg를 토르(Torr)라고도 불러 그를 기렸다.
이후 토리첼리의 실험을 더 확장(산에 가서 토리첼리 실험을 통해 고도에 따라 기압이 다르다는 것을 확인, 유압을 이용해 작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있는 원리 발견)한 사람이 있는데, 그가 바로 파스칼(블레즈 파스칼, Blaise Pascal, 1623~1662)이다. 그의 이런 압력에 대한 공로로 SI 단위에서는 표준 압력의 단위로 파스칼[Pa]를 사용한다.
그럼 1기압(atm)이 몇 파스칼(Pa)인지 확인해 보자.
0 ℃ 에서
수은의 밀도 $\rho= 13,595 kg/m^3$
중력가속도 $g =$ 약 $9.8m/s^2$
수은기둥의 높이 $h=760mm=0.76m$
수은을 누르는 힘(Force) $F$
수은관의 단면적 A(Area) $A$라고 하면,
압력(Pressure)는 단위면적 당 누르는 힘으로 정의되므로,
$
\begin{aligned}
P & = \frac{F}{A} \\
& = \frac{m g}{A} \\
& = \frac{\rho V g}{A} \\
& = \frac{\rho \,(h A)\, g}{A} \\
& = \rho g h \\
& = 13{,}595 \times 0.76 \times 9.8 \;\; \text{[Pa]} \\
& \approx 101{,}325 \;\; \text{[Pa]}
\end{aligned}
$
즉, 1기압(atm)은 대략 100[kPa]이다. 정확한 값은 공학용 계산기의 “CONV” 기능을 이용하면 된다.
그리고 100[kPa]는 1[bar]로 공학자들이 정의했다. 왜냐하면 산업용 공압 제품들이 대기압의 5~8배 정도에서 사용되기 때문이며, 일반적인 공압 제품의 최대 허용 압력이 약 10[bar]이기 때문이다. bar는 ‘바’로 읽는다.
압력은 정말 오래전부터 쓰인 물리량이라 매우 다양한 곳에서 사용되었다. 그래서 아래와 같이,
- 기압(atm)은 기상
- 토르(Torr)는 의료
- 파스칼(Pa)은 과학
- 바(bar)는 엔지니어링
에서 주로 사용되고 있다.
주의할 점은 파스칼(Pa)이 SI 단위계에서 나온 단위이므로, SI 단위를 사용하는 계산 문제는 파스칼(Pa)로 풀어야 한다는 점이다.
그리고 혼합기체밀도를 구하는 식이 소방설비기사의 소방원론에 자주 언급된다. 아래는 그 식을 유도한 과정을 기초개념부터 설명한 포스팅이다.
2020.03.26 – [소방 설비 기사/소방원론] – 혼합증기밀도(Mixed Gas Density) 및 증기-공기밀도(Vapor-Air Density)