기압 및 압력의 종류

대기압과 공기압의 정의, 압축성, 그리고 압력의 측정 기준 및 종류 등에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

기압 및 압력의 종류

대기압 vs. 공기압

우리들이 살고 있는 지구는 공기로 둘러 쌓여 있고, 그 공기중의 산소는 동·식물이 살아가는데 없어서는 안되는 필수 요소이다. 그러면 공기는 어느 정도 있을까.

공기는 해면에서 고도 수십 키로미터까지 있는 것으로 알려져 있다. 체적으로 보면 해수(海水) 보다도 상당히 많은 양이다. 실제로는 공기와 함께 구름 등이 수분과 장소에 따라 공기이외의 가스로 존재하고 있으므로, 이러한 것도 합쳐서 공기라 한다. 그러므로 정확하게 지구는 대기로 둘러 쌓여 있는 것이 된다.

그러면, 왜 대기는 지구에서 분리되지 않을까. 그것은 [그림 1]과 같이 공기 뿐만 아니라 그 이외의 가스에도 중량이 있기 때문에 인력에 의해 지구 표면에 일정한 두께로 존재하고 있는 것이다.

[그림 1] 지구 표면의 대기 

 

 

또, 공기 등의 기체는, 체적을 변화 시키기 쉬운 특징을 갖고 있다. 이것은 풍선 등에서도 확인할 수 있고, [그림 2]와 같은 자동차의 공기흡입과 비슷한 장치라면, 누르는 힘이 강할수록 공기는 압축되고, 힘을 제거하면 원래의 크기로 팽창한다. 이것을 “압축성이 있다”라고 한다.

[그림 2] 기체의 압축성

 

대기중의 공기는 중량과 압축성이 있기 때문에, 하층은 상층의 공기 중량으로 누르고 있어서, 밀도가 높은 상태로 된다. 그러므로, 해면 근처의 공기가 가장 밀도가 높고, 에베레스트 산의 정상은 비정상적으로 공기가 희박하다.

[그림 2]도 압축하는 만큼 밀도가 높아지지만, 원래의 체적으로 돌아가려는 반발력도 동시에 강하게 된다. 이 반발력을 발생하는 능력은, 일반적으로 밀도가 아닌 압력의 고저로 표시된다. 기체를 압축하면, 밀도가 높아지고 동시에 압력도 높아진다. 압력을 표시하는 단위는 수은을 밀어 올리는 힘인 mmHg나 단위면적에 작용하는 힘의 크기인 MPa로 표시된다.

 

 

대기중에서 가장 압력이 높은 해면에서는, 어느 정도의 압력이 걸리는 것일까. 예를들면 이 압력은[그림 3]과 같이 수은주를 760mm의 높이까지 밀어 올리므로 760mmHg로 표시할 수 있고, 또한 1mm2의 면적에서 0.1013N 의 힘이 걸리므로, 0.1013MPa로 표시할 수 있다. 이것은 기상분야에서의 1013mbar와 같다. 이와 같은 압력 중에서 생활하고, 일을 하고 있는 것이다. 이 압력을 “대기압”이라 한다.

[그림 3] 수은주를 밀어 올리는 압력

 

대기압=760mmHg=0.1013MPa (1.003Kgf/㎢) = 1013mbar

 

대기압까지 압축된 공기는, 우리들 주변에 얼마든지 있는 것이다. 이것을 강제적으로 압축하면 압력은 더욱 높아지고, 그 높아진 압력에서는 힘(에너지)이 얻어진다. 이와 같이 어떤 목적을 위해 대기압보다 압력을 높게 만든 공기를 “공기압”이라 한다.

 

 

<대기압 (Atmospheric Pressure) vs. 공기압 (Pneumatic Pressure)>

1. 대기압 (Pₐ)

우리가 생활하는 환경에서 대기가 가하는 압력이다. 해면에서 가장 높으며 표준 수치는 다음과 같다.

• 수은주 높이: 760mmHg
• 압력 단위: 0.1013MPa (또는 1013mbar)
• 단위 면적당 힘: 1.003kgf/cm²

2. 공기압

대기압 상태의 공기를 기계적으로 강제 압축하여 에너지를 얻을 수 있도록 만든 상태를 의미한다. 대기압보다 높은 압력을 형성하여 동력원으로 사용한다.

 

 

압력의 종류

압력측정에는 게이지압과 절대압의 2종류가 있으며, 게이지압은 대기압을 기준으로 하고, 절대압은 절대진공을 기준으로 하고 있다.(게이지압은 대기압 변화에 연동)

[그림 4] 압력의 종류

 

 

<진공>

진공이란 "보통 대기압에서 낮은 압력 기체로 가득찬 공간 안의 상태(압력 그 자체를 말하는 것이 아님)"로 정의된다.

결국, 특정 공간을 만들어 그 내부를 주위 대기압에서 낮은 압력으로 하면 그 상태를 진공이라 한다.

<진공의 압력단위>

일반 공기압 기기를 사용하는 경우의 압력 단위는 MPa이 사용되지만, 진공에서는 kPa을 사용하고 있다.

[그림 5]와 같이 대기압을 기준으로 한 진공압력 표시는 "-kPa", 절대압력을 기준으로 한 경우에는 "kPa"로 나타낸다.

 

[그림 5] 진공압력표시