왜 풍선은 부푼 모양을 유지할까? 빨대로 음료를 마실 때 정말로 우리가 음료를 빨아당기는 걸까? 어른의 손바닥 위에는 매 순간 수백 kg의 공기가 누르고 있다 — 그런데 왜 우리는 그 무게를 느끼지 못할까. 모두 보이지 않는 기체의 압력이 만드는 일이다.
풍선에 공기를 불어넣으면 둥글게 부푼다. 누군가가 풍선을 만진 것도 아니고, 풍선이 단단한 것도 아닌데 — 모양을 유지한다. 그 안에서 무슨 일이 일어나고 있을까?
풍선 안에 갇힌 공기 입자들은 매 순간 사방으로 빠르게 움직이고 있다. 그러다 풍선의 안쪽 벽에 부딪친다 — 한 입자, 두 입자, 그리고 매초 수십억 번의 충돌이 일어난다.
이 충돌 하나하나가 풍선 벽을 살짝 밀어낸다. 너무 빠르고 작은 충돌이라 우리 눈에는 보이지 않지만, 그 합산된 결과는 분명히 보인다 — 풍선이 부풀어 둥근 모양을 유지하는 것이다.
이것이 기체의 압력이다. 우리 주위 모든 공간을 빈틈없이 채우고 있는, 보이지 않는 미세한 힘들의 총합.
압력은 정확히 무엇이며, 어떻게 정의될까?
· 기체 입자들이 용기 벽이나 물체에 충돌하면서 힘을 가한다.
· 그 힘의 크기를 충돌이 일어나는 면의 넓이로 나눈 값이 압력이다.
· 단위 : 파스칼(Pa). 1 Pa = 1 N의 힘이 1 m²의 면적에 작용하는 압력.
· 일상에서는 더 큰 단위인 hPa(헥토파스칼) 또는 atm(기압)을 자주 쓴다.
기체의 압력은 다음 세 가지로 결정된다:
① 입자의 수가 많을수록 → 더 자주 충돌 → 압력 ↑
② 입자 운동이 빠를수록(=온도가 높을수록) → 더 세게·더 자주 충돌 → 압력 ↑
③ 용기의 부피가 작을수록 → 같은 입자가 더 좁은 공간에서 충돌 → 압력 ↑
입자 수를 늘리거나 운동 속도(온도)를 조절해 보면서, 압력이 어떻게 변하는지 관찰하자.
지구를 둘러싼 공기층 전체가 만들어 내는 압력을 대기압이라 한다. 이 압력은 평소엔 느끼기 어렵지만 실제로는 매우 크다.
우리는 지표면에 살고 있다 — 머리 위로는 수백 km의 공기층이 쌓여 있다. 이 공기 기둥의 무게가 만드는 압력이 대기압이다.
해수면 기준 대기압의 크기는 약 10만 Pa. 다시 말해 우리 손바닥(약 100 cm²) 위에 약 100 kg의 공기 무게가 매 순간 누르고 있다.
그런데 왜 우리는 이 큰 압력을 느끼지 못할까? 답은 우리 몸 안에도 같은 압력이 있기 때문이다. 우리 몸 안과 밖에서 같은 압력으로 밀고 있어, 합력이 0이 되어 평형을 이룬다.
대기압의 존재는 일상에서 여러 실험으로 확인할 수 있다:
· 빈 페트병에서 공기를 빨아내면 → 외부 대기압이 병을 찌그러뜨린다
· 빨대로 음료를 빨면 → 빨대 안 압력이 낮아져 대기압이 음료를 위로 밀어 올린다
· 흡착판이 벽에 붙으면 → 흡착판 안의 공기를 짜내 외부 대기압이 벽으로 밀어붙인다
스쿠버 다이버가 내쉰 거품이 위로 올라가면서 점점 커지는 모습을 자주 본다. 깊은 곳일수록 물의 압력이 커서 거품이 작게 눌려 있다가, 얕은 곳으로 올라오면서 압력이 줄어들어 부피가 커지는 것이다.
10 m 깊이에서 1 기압이 추가로 작용한다 — 즉, 수심 10 m에서는 약 2 atm의 압력을 받는다. 이것이 깊은 잠수에서 안전 절차가 중요한 이유이다.
압력은 추상적인 개념이 아니다. 하루에도 수십 번씩 우리는 압력을 활용하거나 압력에 영향을 받는다.
빨대 안 압력을 낮춰 대기압이 음료를 위로 밀어 올린다. 우리는 '빨아당기는' 것이 아니다.
고도가 변하면 외부 압력이 빠르게 변한다. 귀 안팎의 압력 차이로 귀가 먹먹해진다.
공기는 고기압에서 저기압으로 흐른다 — 그것이 바람이다. 기상예보의 '저기압·고기압'이 바로 이 압력.
벽에 누르면 안쪽 공기가 빠지고, 외부 대기압이 흡착판을 벽 쪽으로 밀어붙여 떨어지지 않는다.
풍선 안 입자들이 벽을 미는 내부 압력이 외부 대기압보다 약간 커서 부풀어 있다.
높이 올라갈수록 대기압이 낮아져 물이 100°C 이하에서 끓는다 — 조리에 시간이 더 걸린다.
학습한 내용을 확인해 보자. 답을 누르면 즉시 해설을 볼 수 있다.