[과학] 압력에 따른 기체의 부피 변화 사례 예, 압력과 기체의 부피 변화 관계

기체가 들어있는 물체에 압력을 가하면 기체의 부피가 달라지며 압력을 세게 가할수록 기체의 부피가 많이 줄어듭니다. 압력을 약하게 가하면 기체의 부피가 조금 줄어들고, 세게 가하면 기체의 부피가 많이 줄어듭니다.

 

기체란?

기체(Gas)는 물질의 네 가지 기본 상태(고체, 액체, 기체, 플라스마) 중 하나입니다. 고체나 액체와는 확연히 다른 독특한 특징을 가지고 있으며 기체는 담는 용기의 모양을 그대로 따르고, 용기 전체를 채우려는 성질이 있습니다. 즉, 고체처럼 일정한 모양을 유지하지 않고, 액체처럼 일정한 부피를 갖지도 않습니다. 기체 분자들은 서로 멀리 떨어져 있고, 분자 간에 작용하는 인력이 매우 약하여 거의 무시할 수 있으며 분자들이 매우 자유롭게 움직이며 무질서하게 퍼져 나갑니다.

 

압력이란?

압력(Pressure)은 단위 면적당 수직으로 가해지는 힘을 의미하는 물리량으로 어떤 표면을 누르는 힘의 정도를 나타냅니다.

 

압력과 부피의 관계

압력과 부피의 관계는 물질의 상태, 특히 기체에서 매우 중요하고 명확하게 나타나는 물리적 현상으로 보일의 법칙(Boyle's Law)으로 설명됩니다. 보일의 법칙 (Boyle's Law)은 1662년 영국의 과학자 로버트 보일(Robert Boyle)은 실험을 통해 다음과 같은 사실을 발견했으며, 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다로 설명할 수 있습니다.

 

보일의 법칙 사례, 압력과 부피의 관계 사례

보일의 법칙은 우리 주변의 다양한 현상과 기구에서 찾아볼 수 있습니다.

 

풍선

헬륨 풍선이 하늘 높이 올라가면, 대기압이 낮아지기 때문에 풍선 내부의 압력이 외부 압력에 비해 상대적으로 높아져 풍선이 점점 부풀어 오르다가 결국 터지게 됩니다. 

 

잠수병 (감압병)

깊은 바닷속에서 잠수할 때는 높은 수압 때문에 폐 속의 기체가 압축됩니다. 만약 잠수부가 너무 빨리 수면으로 올라오면 외부 압력이 급격히 낮아져 몸속의 질소 기포가 갑자기 팽창하여 혈관을 막거나 조직을 손상시켜 위험한 잠수병을 유발할 수 있습니다.

 

다이빙 시 올라오는 공기 방울

물속에서 나온 공기 방울이 수면 가까이 올라올수록 주변의 수압이 낮아지면서 점점 커지는 것을 볼 수 있습니다.

 

주사기

주사기 끝을 막고 피스톤을 밀면 내부 공기의 부피가 줄어들면서 내부 압력이 높아져 더 이상 밀기 어려워집니다.

 

호흡 운동

우리가 숨을 들이마실 때(들숨), 횡격막이 아래로 내려가 폐의 부피가 증가하고, 이로 인해 폐 내부의 압력이 외부 대기압보다 낮아져 공기가 폐 안으로 들어옵니다. 숨을 내쉴 때(날숨)는 반대로 폐의 부피가 감소하여 내부 압력이 높아져 공기가 밖으로 나가게 됩니다.

 

압력에 따른 기체의 부피 변화 예

• 풍선 놀이 틀 위에 올라서면 풍선놀이 틀의 부피가 줄어듭니다.
• 밑창에 공기 주머니가 있는 신발을 신고 걸으면 공기 주머니의 부피가 줄어듭니다.
• 공을 강하게 차면 순간적으로 공이 찌그러집니다.
• 자동차가 부딪쳤을 때 부풀어 올랐던 에어백은 충격을 받아 부피가 줄어듭니다.
• 과자 봉지가 높은 산보다 땅에서 덜 팽팽하다.
• 건물에서 화재가 발생했을 때 공기 안전 매트로 뛰어내리면 공기 안전 매트가 움푹들어갑니다.

 

커다란 짐볼 위에 앉거나 엎드리면 공이 찌그러진다.

관계: 기체에 가해지는 압력이 커져 공 속 기체의 부피가 작아지기 때문이다.

짐볼

 

무거운 짐을 가득 실은 화물차의 바퀴가 조금 찌그러진다.

관계: 바퀴에 가해지는 압력이 커져 바퀴 속 기체의 부피가 작아지기 때문이다.

화물차

 

하늘로 올라가는 풍선은 높이 올라갈수록 점점 부풀어 오른다.

관계: 풍선을 누르는 압력이 작아지기 때문에 풍선의 부피가 커져 풍선이 부풀어 오른다.

풍선