질량(Mass) vs. 중량(Weight)

다양한 공정 변수 중 물질의 양을 나타내는 질량(Mass)과 부피(Volume)는 매우 중요하다. 공정상에서는 액체 또는 기체 상태로 물질을 다루는 경우가 대부분이므로 질량과 부피의 관계를 나타내는 물질의 특성 값밀도(Density)를 적절히 이용할 수 있어야 한다.

 

 

 

질량(Mass) vs. 중량(Weight)

 

물질의 양을 측정하는 기본 단위인 질량은 때때로 공정에서 중량(Weight)으로 바뀌어 사용된다. 중량(또는 무게)이라는 말은 힘(Force)과 같은 성질의 양을 나타낸다. 즉, 중량은 질량을 가진 물체에 중력가속도가 적용될 때 물체가 갖는 힘을 의미한다.

 

물리학에서 힘(Force)이란, 물체의 운동, 방향 또는 구조를 변화시킬 수 있는 상호작용을 가리키는 말로서, 뉴턴 운동 법칙의 제2법칙으로 부터 만약 물체의 질량이 일정할 경우, 물체에 작용하는 힘(F)은 힘의 방향에 작용하는 가속도(a)에 비례하고 물체의 질량(m)에 비례한다는 의미이다. 힘의 공식으로는 다음과 같이 표현된다.

 

F = m•a = m•(g/gc)

 

상기 식에서 gc는 양변이 차원이 동차가 되도록 사용한 단위환산계수(중력환산계수)이다.

 

 

따라서 중력 환산계수 gc는 우리가 사용하고 있는 중력가속도 g와는 다른 의미를 갖는다.

즉, 중력에 의한 국소 가속도 g는 위치와 고도에 의해 결정되지만, 중력 환산계수 gc는 단위계에 의해 결정되는 값이다.

일반적으로서 중력가속도 g는 일반적으로 미터 단위계에서는 위도 45˚에서이 평균 해면 값을 표준 중력가속도 값으로 사용하고, 단위 환산을 하는데 g = 9.8 m/s^2 을 사용한다.

 

상기 언급한 Newton의 운동법칙을 나타내는 상기 식으로부터 단위 환산계수gc의 값을 구해보면 다음과 같다.

 

gc = m•g/W = (1kg·9.8 m/s^2) / 1kgf = 9.8 kg·m / (kgf·s^2) (MKS계)

 

다른 단위계에서의 gc 값도 다음과 같이 표시할 수 있다.

 

gc = 980 g·cm/gf·s^2(CGS계) = 32.174 lbm·ft/lbf·s^2 (FPS계)

 

 

중량을 구하는 식에 g와 gc의 값을 대입하면 표준 중력 가속도가 적용되는 지역에서는 g = gc의 관계가 성립되어 질량(m)과 중량(W)이 단위만 다를 뿐 동일한 값을 갖게 된다. 일반적으로 고도가 높거나 수심 아래 등을 제외한 대부분의 지역에서는 중력에 대해 특별한 언급이 없는 한 표준 중력가속도를 적용하여 중량을 구하기 때문에 종종 질량과 중량이 혼용되기도 한다.

 

널리 사용되는 질량의 단위에는 g, kg, lb 등이 있으며 질량임을 확실히 하기 위해 gm, kgm, lbm 와 같이 질량(mass)이란 의미를 가진 첨자 m을 붙이기도 한다. 이를 중량 또는 무게로 표현할 경우에는 g중(gf), kg중(kgf), lb중(lbf) 과 같이 중(중력) 또는 f(force) 첨자가 붙는다.

 

또한 절대 단위계나 중력 단위계에서는 gc 는 무차원 수로 다음과 같이 표현할 수도 있다.

 

 

 

밀도(Density) vs. 비중(Specific gravity)

 

밀도(Density)는 물질의 특성 값으로 대상 물질의 질량을 부피로 나눈 값이다.

 

밀도의 SISI 단위는 kg/m^3 이다. 그러나 이는 매우 큰 값을 나타내는 단위이므로 실험실에서 사용하는 밀도값에는 g/cm^3이 즐겨 사용된다. (1g/cm^3 = 1000kg/m^3)

 

비중(Sp. Gr.)은 대상 물질의 밀도를 기준 물질의 밀도로 나누어 준 값으로 액체의 경우 기준 물질이 물(밀도 = 1g/cm^3)이기 때문에 액체의 비중은 바로 그 물질의 밀도값을 나타낸다.

따라서 각종 공정 계산에서 다루는 물질이 액체인 경우 밀도 대신 비중을 이용하기도 한다. 그러나 고체와 기체의 경우에는 기준 물질이 달라지므로 상대적으로 비중을 구하기 어렵다. 비중은 비교대상의 밀도를 기준물질의 밀도로 나누기 때문에 단위가 없는 무차원수이다.

 

 

밀도와 물질을 각각 식으로 나타내면 다음과 같다.

 

 

Reference : wikipedia.org