압력
[ Pressure ]
압력은 단위 면적에 수직으로 작용하는 힘으로 정의한다. 따라서 같은 크기의 힘을 주더라도 면적이 좁을수록 더 큰 압력이 가해진다.
압력을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
@@NAMATH_DISPLAY@@p = \frac{F}{A}@@NAMATH_DISPLAY@@
여기서 A는 힘이 작용하는 면의 크기이고 F는 면에 수직으로 가해지는 힘이다.
압력은 작용하는 대상에 따라 물이면 수압, 기체면 기압 등으로 부른다. 국제단위계에서는 압력의 단위로 파스칼 (Pa)을 채택하고 있으며, 이는 단위 미터제곱 당 뉴턴(힘의 단위)을 의미한다(@@NAMATH_INLINE@@N/m^2@@NAMATH_INLINE@@ 또는 @@NAMATH_INLINE@@kg/m=s^2@@NAMATH_INLINE@@). 1971년에 이 이름이 지어졌고 1971년 이전에는 ‘단위 미터제곱 당 뉴턴’으로 표현했다.
그림 1. 압력 (출처: 한국물리학회)
압력을 받는 시스템은 주변 환경에서 일을 주거나 받을 가능성이 있기 때문에 다음의 식과 같이 압력을 종종 단위 부피 당 저장된 잠재적 에너지로 표현하기도 한다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\text{압력} = \frac{ \text{힘} \times \text{ 길이}}{ \text{면적} \times \text{ 길이}} = \frac{ \text{일}}{ \text{부피}} = \frac{ \text{에너지}(J)}{ \text{부피}(m^3)}@@NAMATH_DISPLAY@@
따라서 에너지 밀도와 관련이 있으며 단위는 @@NAMATH_INLINE@@J/m^3@@NAMATH_INLINE@@이고 이는 압력의 단위 파스칼(Pa)과 동일하다.
[그림 2]와 같이 닫힌 공간에 있는 기체 분자는 끊임없이 벽에 부딪히기 때문에, 기체의 운동량이 표면에 전달되어 압력이 생긴다. 그림처럼 기체의 압력이 큰 경우(고압) 부피가 팽창하고, 저압인 경우 부피가 감소한다. 이렇게 압력에 따른 부피의 변화를 통해 기체는 일을 한다. 뚜껑이 덥힌 냄비 속의 물이 끊을 때 냄비의 뚜껑이 들썩거리는 것은 수증기가 일을 하기 때문이다. 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 탁구공 속의 공기의 운동 에너지가 증가하여 탁구공 벽을 치는 압력이 커져 공이 펴지기도 한다.
압력은 다양한 분야에서 사용되기 때문에 (그림 3)에서와 같이 여러 가지 단위가 사용되고 있다. 기계적인 힘 등에 대해서는 단위에 힘이 직접적으로 표현된 Pa을 주로 이용하고 대기압에 대해 표기할 때는 1 atm으로 쓴다. 토르(Torr)는 기압계의 원리를 발견한 이탈리아의 물리학자 토리첼리의 이름에서 유래한 단위이다. 원래 수은주를 활용한 기압과 관련하여 1 수은주 밀리미터로 정의했었지만 조건에 따라 변하지 않는 값으로 바꾸어 @@NAMATH_INLINE@@\frac{1}{760}@@NAMATH_INLINE@@기압으로 정의한다.
그림 2. 압력의 단위 ()
그림 3. 압력간의 관계 (출처: 한국물리학회)