압축 공기의 "압력" 개념

"압축 공기"는 대기 압력의 공기를 사용 목적에 부합하는 압력까지 압축된 공기를 의미한다.

 

 

 

압축 공기의 "압력" 개념

"압력”이란 “단위 면적에 수직으로 작용하는 힘"이라고 정의할 수 있다.

 

여기서 "힘(Force)"이라 함은 "질량을 갖는 물체가 가속도 운동을 하도록 물체에 작용하는 외력"이라고 정의 할 수 있다.

 

또 우리가 유압 또는 공압을 이용 할 수 있는 근본 원리는 "파스칼의 법칙" 이다.파스칼의 법칙은 정지한 유체 내 한 곳에 생간 압력의 변화는 유체내의 모든 곳, 모든 방향으로 똑같이 전달된다는 것이다. (고체의 경우에는 힘이 작용하는 방향으로만 압력이 전달 됨에 유의.)

 

<"kg" vs.  "kgf" >

 

kg은 질량의 단위이며 지구의 어느 장소, 우주의 어느 장소에서도 변함이 없는 물리량인 반면 kgf는 우리가 흔히 이야기 하는 중량으로 가속도(지구에서는 중력 가속도 g = 9.81)의 영향을 받으므로 중력의 크기에 따라 다르게 된다.

 

즉 "kg" 은 질량의 단위, "kgf"는 힘의 단위이므로 이 둘을 혼용하여 사용하면 안된다.

 

 

대기압

압축공기는 대기압의 공기를 압축하는 것으로, "대기압"은 지구의 대기권에 존재하는 공기의 무게가 지표면에 가하는 힘에 의해 발생되는 압력을 의미한다.

 

우리는 평소 대기(공기)의 무게를 느끼지 않고 살아가고 있지만 사실 공기의 질량은 공기의 온도가 0 ℃ 일 때 1 ㎥ 당 약 1.29 kg의 질량을 갖는다. 지구 대기의 약 99%는 지상으로부터 약 30km 까지 존재하므로 지표면에 작용하는 압력은 적지 않음을 알 수 있다.

 

대기 압력을 측정하는 방법 중 액주계를 이용하는 것이 있다. 액주계에 사용되는 매질이 수은인 경우"mmHg", 물 인경우 'mmAq"의 단위를 사용 하며 "mm'는 액주의 높이를, "Hg" 또는 "Aq"는 액주계에 사용되는 매질을 표시한다.

 

 

수은을 이용한 액주계를 사용하여 대기압을 측정하는 원리는 다음과 같다. 

 

<그림 1> 수은이 담긴 용기

 

위 그림 1과 같이 수은이 담긴 용기에서 수은이 가득찬 실린더를 수직(반드시 수직일 필요는 없다)으로 세우면 수은의 무게로 발생되는 압력과 그 장소의 대기압이 평형을 이룰 때 수은 기둥의 길이를 측정하면 그 때의 대기압을 계산할 수 있다.

그림 1의 우측을 간략하게 표현하면 좌측 그림으로 단순화할 수 있고,  대기 압력은 액주의 가장 아래 부분의 압력과 같다.

 

이 때 맥주의 가장 아래 부분이 받은 압력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

P = F / A = mg / A =.ρAHg / A = ρHg

 

위 식을 보면 액주로 측정된 압력은 단면적 A와는 무관함을 알 수 있다.

액주로 측정된 압력은 사용된 액의 밀도, 액주 높이, 중력 가속도로만으로 정의 할 수 있다.

 

<표 1> 대기압

 

 

기체의 압력

그렇다면 기체에서 압력은 어떻게 생성되는지 알아보자.

 

어떤 용기에 채워진 기체의 압력은 기체 분자가 용기 벽면에 충돌해서 발생되는 에너지에 의해서 발현된다.

즉 용기 벽면에 충돌하는 개별 기체 분자의 운동 에너지가 크거나 또는 충돌하는 분자의 수가 증가하게 되면 압력이 증가하는 것 이다.

개별 기체 분자의 운동 에너지는 기체의 온도에 의해 결정되며 온도가 높을수록 분자의 운동 에너지는 증가하고 반대로 온도가 내려가면 분자의 운동 에너지는 감소하게 된다.

또 용기 속의 기체수가 많아지면 운동 에너지의 변화가 없더라도 충돌 에너지의 총량이 증가하므로 압력이 증가 하게 된다. 반대로 분자의 수가 적어지면 충돌 에너지의 총량이 감소 하므로 압력이 감소하게 된다.

 

이와 같은 이유로 분자의 수가 증가하는 것은 일정한 부피의 용기에 더 많은 기체를 채워 넣는 것과 같은 의미가 되므로 공기 압축기를 이용하여 용기안에 기체를 계속 채워 넣으면 압력이 증가하고, 압력 용기에서 공기를 배출 하면 분자의 수가 감소하여 압력이 낮아 지는 것 이다.

 

 

위 내용은 보일-샤를의 법칙으로도 설명이 된다.

 

P₁ V₁ / T₁ = P₂ V₂ / T₂  , P₂ / P₁ = T₂ / T₁ x  V₁ / V₂

 

위 식에서 체적 V1, V2가 일정할 때 즉 용기의 체적이 일정할 때 온도 T2가 증가하면 압력 P2가 증가한다.

 

다시 말해 온도가 T1 에서 T2로 증가하면 개별 기체 분자의 운동 에너지가 증가하기 때문에 벽면에 충돌하는 에너지 역시 증가하여 압력이 증가하게 되는 것이다. 온도가 내려가면 반대로 압력은 내려가게 된다.

 

또한 온도 변화가 없을 때(T1=T2) 체적이 V1에서 V2 로 감소하면 압력 P2는 증가 한다. 왜냐 하면 단위 체적당 기체의 분자 수는 체적 V2의 감소로 증가하기 때문이다.

 

 

절대 압력 vs. 게이지 압력 vs. 진공 압력

절대 압력은 진공 상태의 압력을 기준으로 표시된 압력이다. (아래 그림의 검은색 실선)

 

진공 상태는 물질(분자)이 하나도 없는 상태이므로 압력이 존재하지 않는다. 따라서 진공 상태의 압력은 "Zero" 가 됩니다.

 

게이지 압력은 측정하고자 하는 곳의 대기 압력을 기준으로 표시된 압력이다. 측정하고자 하는 곳의 대기 압력이 표준 대기 압력이든, 아니면 온도가 높거나 낮아도, 또 고도가 낮거나 높아도 관계 없이 그 상태의 대기 압력을 "Zero"로 하여 측정된 압력이다.

 

즉 아래 그림에서와 같이 Local-1, Local-2 의 절대압력과 무관하게 그 때의 대기 압력은 게이지 압력으로 "Zero" 가 된다.

 

 

<그림 2> 절대 압력 vs. 게이지 압력 vs. 진공 압력

 

 

위 그림의 내용을 정리 해 보면 아래 표와 같다.

 

<표 2> 절대 압력 vs. 게이지 압력 vs. 진공 압력

 

위 표에서 Local-1의 압력은 표준 대기 압력보다 - a 만큼 낮은 곳이고, Local-2의 경우에는 표준 대기 압력보다 + a 만큼 높은 곳이다.

 

따라서 0.5Mpa의 압력이 작용했다면 Local-1과 Local-2에서의 게이지 압력은 0.5Mpa로 같지만 절대 압력으로 보면 Local-1의 경우에는 0.6 - a, Local-2 에서는 0.6 + a 가 된다.

 

Reference : 한신컴프레서기술 압축공기 시스템의 최적화