1. 진공 기술과 부분압력
진공 기술 소개
진공이란?
진공은 희박한(본문에서는 희석된) 기체 상태를 의미하며, 주변 대기의 압력이나 밀도보다 낮은 상태를 뜻합니다.
1기압의 기준은 정해져있지만, 기압은 변칙적입니다. 지구 표면의 대기압은 지역에 따라 변동하며, 해수면보다 높은 고도로 올라갈수록 점차 감소합니다.
따라서 진공 범위의 상한을 일반적으로 규정하기는 어렵습니다.
진공 개요
진공을 만들기 위해서는 용기 내부의 압력을 주변 대기압보다 낮게 유지해야 합니다. 지구 중력의 영향을 받아 대기압은 고도에 따라 변화하며, 이는 다음의 바로메트릭 공식으로 표현됩니다:
- : 해수면에서의 대기압 (1013 mbar, 1 atm)
- : 고도 (m)
이 식을 이용하면, 특정 고도에서의 대기압을 계산할 수 있습니다.
문제: 대기압이 절반으로 감소하는 고도 를 구하세요.
문제 풀이:
문제 조건:
p0를 양변에서 약분하면:
자연로그를 취해 풀면:
즉, 대기압이 절반으로 줄어드는 고도는 약 5549 m 입니다.
여객기가 순항하는 고도(약 10km)에서는 지구 표면의 대기압이 이미 290 mbar로 감소합니다.
기상 관측용 기구(웨더 벌룬) 데이터에 따르면, 고도 30km에서는 대기압이 24 mbar까지 감소합니다.
이러한 고도에서의 압력 수준은 저진공(low vacuum) 범주로 분류할 수 있으며, 이에 대한 더 자세한 설명은 이후에 다뤄질 예정입니다.
지구 표면에서 더 멀리 떨어진 **250km 고도(위성 궤도)**에서는 대기압이 10⁻⁵ ~ 10⁻⁶ mbar로 감소합니다.
그보다 더 먼 우주 공간에서는 대기압이 10⁻¹⁴ mbar 이하의 초고진공(ultra-high vacuum) 상태가 됩니다.
고도에 따라 대기압은 감소하며, 다음과 같이 분류됩니다:
- 중진공: 10^{-5} mbar ~ 10^{-6} mbar
- 고진공: 10^{-7} ~ 10^{-8} mbar
- 초고진공: 10^{-9} ~ 10^{-14} mbar
지구상에서는 10^{-12} mbar 의 진공상태를 만드는 것이 한계라고 하며,
제가 공부하는 학교에서는 10^{-11} mbar의 높은 진공상태까지 만들어낼수 있다고 하네요.
압력(Pressure)
밀폐된 용기 내부의 기체는 항상 균일하게 분포되어 있습니다.
개별 기체 분자들은 용기 내부를 빠른 속도로 움직이며 끊임없이 이동합니다.
이 기체 분자들이 용기 벽에 충돌할 때, 표면적 A에 대해 **힘(F)**을 전달하며 압력이 발생합니다.
이러한 압력의 정의는 다음과 같습니다.
SI 단위: Pa (파스칼) = N/m² (뉴턴/제곱미터)
부분 압력(Partial Pressure)
여기서 우리가 가장 중요하게 받아들여야 할 부분이 이Partial Pressure 입니다
기체가 여러 종류의 기체로 이루어져 있을 경우, 각각의 기체는 자신의 농도에 비례하는 압력을 형성합니다.
이러한 개별 기체의 압력을 **부분 압력(Partial Pressure)**이라고 합니다.
또한, 모든 부분 압력의 합은 전체 압력과 같습니다.
공기는 부분 압력 개념을 이해하는 좋은 예입니다.
공기의 주요 성분인 질소(N₂), 산소(O₂), 수증기(H₂O) 외에도 다양한 미량 기체가 포함되어 있습니다
여기서 가진 한가지 의문.
어? 우리는 분명, 공기가 가지는 운동에너지가
라고 배웠는데
그렇다면, 부분 압력도 전부 같아야 하는것 아닌가.
그에 대한 해답은 이렇게 정리할수 있습니다.
기체가 가지는 운동 에너지는 같지만,
F = △p/△t
Partial Pressure는 각자 다를수 있는것입니다