대기압의 인식은 언제부터였을까?
대기압에 대한 정량적인 측정은 17세기 토리첼리가 기압계를 발명하면서 알 수 있게 되었습니다.
* 토리첼리는 갈릴레오 갈릴레이의 제자
토리첼리는 진공에 대해 많은 흥미를 갖고 있었고, 스승인 갈릴레이는 광산에서 물펌프를 이용하여 단지 약 10m
정도만 끌어올릴 뿐, 이유를 정확히 알 수 없었지만, 제자인 토리첼리는 물펌프의 입구에서 물을 누르는 공기의 압력
때문이라는 것을 인지하고 있었습니다.
이를 실험하기 위해 물보다 밀도가 큰 액체를 사용했어야 했는데, 이때 사용된 액체가 바로 수은(Hg)입니다.
수은은 물에 비해 약 13.6배, 즉 물 질량보다 13.6배 무겁습니다.
토리첼리는 실험을 준비하면서 한쪽 끝이 막힌 약 1m 정도의 유리관을 사용하여 수은을 채운 후 열린쪽을 막고 뒤집어 수은이 채워진 용기에 담궜습니다. 수은은 평형이 이루어지기까지 유리관을 따라 내려가다가 정지하였고, 수은 기둥은 대략 76cm 정도의 높이를 유지하였습니다. 또한 유리관 모양이 바뀌더라도 수은의 높이는 항상 동일하다는 것을 실험으로부터 알 수 있게 되었습니다. 즉, 수은 기둥이 더 떨어지지 않는 이유는 수은 기둥의 무게 만큼 아래에서 대기압으로 밀어주고 있기 때문이라는 것을 알게 되었고, 이때 대기압의 단위를 수은의 높이(cm, Hg or mmHg)로 사용하게 된 계기가 되었습니다. 이러한 결과로부터 표준 대기압을 76 cm의 수은 높이로 나타내고, 즉 1기압은 1 atm = 760 mmHg(약 100 Pa)로 환산될 수 있습니다.
그럼 궁금한 점이 생깁니다.
우리는 지표면에 존재하면서 왜 대기압을 느끼지 못할까요?
바로 우리 몸 내부압력이 대기압과 동일한 압력으로 밀고 있어 내-외부 압력이 같기 때문입니다.
예를 들어, 바다 깊은 곳에 사는 심해어의 경우에도 그 큰 압력에 맞게 몸이 설계가 되어 있기 때문에
그 미친듯한 압력에서도 심해어가 존재하는 이유입니다.
높은 산을 올라갈 수록, 공기는 희박해지고, 압력은 감소하게 됩니다. 풍선을 들고 산을 높이 타고 올라갈 수록 압력의 영향을 받아 풍선은 점점 팽창하게 되는 것을 알 수 있습니다. 따라서, 수은관을 들고 높은 산을 타게 되면 수은 기둥은 낮아지게 될 것입니다. 이를 응용하게 되면, 비바람이 치는 날과 맑은 날(저기압과 고기압)의 대기압이 떨어지거나 높아질 때, 수은기둥 높이를 보고 날씨를 예측할 수 있게 됩니다.
우리가 숨쉬는 대기의 성분을 살펴보면 질소가 약 78%, 산소 약 21%, 그 외 미량의 수분, 탄산가스, 헬륨, 아르곤 등등의 여러 기체가 섞여있습니다. 이러한 대기의 기체분자 수는 1cm^2 공간에 대략 2.5x10^19 개가 존재합니다.
이 엄청나게 많은 기체분자수가 단 1cm^2안에 존재한다니, 놀랍지 않습니까?
음속은 1초에 약 340m 정도를 이동하지만, 이러한 기체들은 음속보다 더 빠른 속도는 초당 평균 440m 간다고 알러져 있습니다. 즉, 이동속도가 다르기 때문에 기체분자들은 다른 분자 및 물체(사물)들의 표면에 충돌하게 됩니다.
이때, 기체분자는 엄청난 압력을 가하게 되는데, 예로써, 1기압은 1cm^2 면적을 1Kg정도의 무게(f/cm^2)로 누르는 것과 같다고 이해하시면 쉬울 것 같습니다.
이것이 바로 "진공의 힘" 입니다.