공기의 존재가 일상에 미치는 영향

공기의 존재가 일상에 미치는 영향

공기의 존재가 일상에 미치는 영향

여기 주사기가 하나 있습니다. 이렇게 앞, 뒤로 피스톤을 쉽게 움직일 수가 있는데요. 하지만 앞의 입구를 막아놓은 상태에서 피스톤을 빼면 잘 빠지지가 않습니다. 어렸을 때 이걸 보면서 아주 신기해했던 기억이 있습니다. 도대체 여기 입구하고 피스톤 하고 고무줄 연결된 것도 아닌데 왜 이게 나오는데 힘들까 대체 누가 이 피스톤이 못 나오도록 방해하고 있을까, 이런 질문을 하게 되는데요. 여러분이 어떻게 대답을 하셨는지 모르겠습니다. 과학 공부를 좀 한 사람들은 이 경우에 기압차라고 대답합니다. 실제로 많은 과학책들은 기압차 때문이라고 설명하고 있습니다. 틀린 대답은 아니지만 현재 우리가 공부하는 수준에서 좋은 답변은 아니라고 생각합니다. 왜냐하면 이럴 때는 기압이 무엇이냐,라고 다시 설명해야 되고 또 기압의 차이가 있으면 왜 이게 나오기가 힘든지를 추가 설명해야 되는 상황이 되기 때문이죠. 피스톤이 잘 움직이지 않는 가장 근본적인 이유는 이 방에, 텅 비어 있는 듯한 이 방에 실은 공기가 가득 차있기 때문입니다. 그리고 그 공기가 쉬지 않고 부지런히 돌아다니기 때문입니다. 공기는 여러 가지 기체 분자로 이루어져 있습니다.

공기의 화학적 성질

이렇게 질소 원자 두 개로 이루어진 질소 분자가 전체 공기의 한 78% 정도로 가장 많고 산소 분자가 약 21%를 차지합니다. 그 외에도 아르곤, 이산화탄소, 수증기, 수소 분자들이 조금씩 섞여 있습니다. 공기 중에 돌아다니고 있는 이런 분자들이 만약에 얌전히 있다면 피스톤을 당기는데 아무런 방해를 하지 않을 것입니다. 문제는 이런 기체 분자들이 가만히 있지 않고 굉장히 빠른 속도로 이 방 안을 계속 돌아다닌다는 것입니다. 얼마나 빠르냐면 많은 분자들은 초속 1,000m가 넘습니다. 1초에 1km씩 날아가는 분자를 상상해보십시오. 이렇게 총알과 같은 속도로 날아다니는데, 날아다니면서 이 방 안의 모든 곳을 두들기고 다닙니다. 또 제 몸을 때리고 다닙니다. 이렇게 빠른 분자한테 얻어맞고 있는데 왜 우리는 아프지도 않고 별 다른 느낌이 없을까요? 만약에 수많은 공기 분자가 동시에 아주 좁은 부위만을 때린다면 상당히 고통스럽겠죠. 그렇지만 여러 공기 분자가 동시에 모든 부위를 골고루 때리기 때문에 우리가 따끔거리지 않습니다. 따끔거리는 대신 압박의 느낌이 들게 되는데 우리는 예전부터 늘 이 압박을 경험해왔기 때문에 여기에 익숙해져 버린 것입니다. 공기가 우리 몸을 압박하는 힘이 얼마나 큰지는 다음에 다시 다루도록 하겠습니다.

공기 분자의 움직임

공기 분자의 움직임을 간단한 컴퓨터 시뮬레이션으로 보여줍니다. 이런 주사기 안에 공기가 들어있고 이 주사기 바깥은 진공상태라고 해봅시다. 공기 분자가 주사기 안을 마구 돌아다니면서 그 충격으로 피스톤을 밀어냅니다. 만약 피스톤을 밀어 넣으려면 공기 분자가 안쪽에서 때리는 힘만큼 강제로 그 반대 힘을 가해야 됩니다. 이제 이 시뮬레이션은 양쪽에 방이 있고 가운데 피스톤이 있는 경우인데요. 양쪽에 가하는 힘의 차이에 의해서 피스톤이 이렇게 왕복 운동을 하게 됩니다. 만약에 한쪽 벽을 제거해버리면 공기는 바깥으로 쉽게 빠져나옵니다. 이제 다시 이전의 주사기 문제로 돌아가서 생각을 해보겠는데요. 이것은 칠판 앞에서 여러분께 설명을 해드리도록 하겠습니다. 그러면 우리가 다시 처음 질문으로 돌아가서 끝이 막힌 주사기에서 왜 피스톤을 빼기 힘든지, 그 원인을 생각해보도록 하겠습니다. 일단은 앞부분이 열려있는 상태에 대해서 생각을 해보죠. 이 주변에는 수없이 많은 공기 분자들이 돌아다니면서 모든 벽에 압력을 가합니다. 당연히 주사기 안에서도 압력을 가하고, 이 뒤쪽에서도 압력을 가합니다. 이렇게 되면 안쪽에서 때려주는 공기 분자들의 힘과, 뒤쪽에서 밀어주는 공기 분자의 힘이 똑같아서 주변에 공기가 있던 없던 상관없이 우리는 자연스럽게 피스톤을 움직일 수가 있는 거죠. 근데 만약에 처음에 입구를 막아놓은 상태에서 피스톤을 당겼다고 하면 이 내부에는 공기 분자가 없습니다. 바깥을 때리는 공기 분자는 별 다른 영향을 주지 않지만, 이 피스톤 뒤쪽에서 때리는 공기 분자 때문에 피스톤을 빼기가 힘들어지게 되는 거죠. 앞에서 때리는 공기 분자가 사라졌다는 것이 바로 그 차이가 되겠습니다.