기압의 변화가 끼치는 영향

기압의 변화가 끼치는 영향

기압의 변화가 끼치는 영향

과거의 한 친구는 풍선을 넣어 두고 풍선이 얼마나 팽창했는지 보면 되겠다고 했습니다. 참 좋은 방법인데 한 가지 문제가 있습니다. 그 풍선은 탄력을 갖고 있어서 바깥 기압이 절반이 된다고 해서 풍선의 부피가 그대로 두 배로 커지지 않습니다. 그러면 탄력이 없는 풍선을 쓰면 된다고요. 예를 들어서 공기가 조금 들어 있는 이런 비닐봉지를 쓰면 탄력이 없기 때문에 봉지의 부피가 그대로 기압의 변화만큼 비례해서 드러날 것입니다. 그런데 이것의 문제는 부피가 얼마나 늘어났는지 측정하기가 곤란하다는 거죠. 그래서 우리에게는 비닐봉지처럼 부피가 쉽게 변하지만 그 부피 변화를 쉽게 측정할 수 있는 그런 도구가 필요합니다. 그런 물건 중 하나가 바로 주사기라고 할 수 있습니다. 작은 주사기를 써 가지고 주사기 눈금을 2ml에 맞춰 둔 상태에서 주사기 입구를 셀로판테이프로 감아서 공기가 통하지 않도록 해뒀습니다. 이제 이 주사기를 진공 상자 안에 넣고 공기를 빼 보도록 하겠습니다. 현재 아까 2ml로 출발했었는데 지금 현재 4ml가 되었습니다. 힘이 드네요. 지금 보니까요. 8ml로 늘어났습니다. 그러니까 이 주사기 부피가 4배로 팽창했는데 이 말은 이 주사기 안에 기압이 1 기압에서 0. 25 기압으로 떨어졌다는 뜻이죠. 왜냐면은 이 바깥 기압이 역시 0.25 기압이기 때문입니다. 우리는 주사기를 통해서 진공 상자 안에 기압이 대략 0.25 기압이라는 것을 알 수가 있습니다. 역시 공기를 넣으면은 다시 원래대로 2ml의 부피로 수축을 했습니다. 압력이 0.25 기압 이하로 더 내려가지 않는 것은 진공펌프와 진공 상자가 그렇게 정밀하게 만들어진 게 아니기 때문이죠. 많은 아주 중요한 실험이나 제조업 예를 들어서 반도체를 만드는 공장에서는 아주 낮은 진공을 필요로 합니다. 참고로 현대 첨단기술 이용하면 기압을 10의 마이너스 10승 하고 즉 0. 하고 0이 9 개가 들어가는 그런 기압을 만들 수도 있습니다.

진공실험과 압력 변화의 위험성

진공펌프가 개발되고 난 이후에 일부 과학자들은 일반 사람들 모아놓고 집에서 진공 실험을 보여 줬다고 합니다. 그 모습을 이렇게 조셉 라이트라는 화가가 그림을 그렸는데요. 이렇게 큰 유리병 안에 새를 넣어 두고 펌프를 작동시켜서 공기를 점점 빼니까 사람들이 무슨 일이 일어날지 지켜보고 있습니다. 새가 죽을 것을 알고 있는지 이 어린이는 차마 보지 못하고 고개를 돌립니다. 어디서나 그러듯이 두 연인은 실험에는 아무 관심이 없이 서로 쳐다만 보고 있고요. 실제로 나중에 이 둘은 결혼했다고 합니다. 이렇게 잔인한 실험 이긴 하지만 사람들은 이 빈 공간이 실은 공기로 가득 차 있고 공기가 사라지면 어떤 일이 일어나는지 그것을 분명하게 인식하게 되는 계기가 되었습니다. 진공 상자 안에 초코파이나 새가 들어 있으면 어떻게 되는지 생각해 봤는데 만일 사람이 이 안에 들어 있거나 또는 사람이 공기가 없는 우주로 나가게 된다면 어떻게 될까요? 간혹 어떤 sf 영화에서는 진공상태에 놓인 사람이 몸이 이렇게 풍선처럼 부풀어 있다가 펑 터지는 것으로 묘사하기도 합니다. 하지만 실제로는 1 기압에 있던 사람이 진공상태로 나가게 되더라도 우리 몸이 그렇게 터질 만큼 약하진 않다고 합니다. 다만 고막이나 모세혈관, 허파의 폐포 등에는 손상을 입을 수 있겠죠. 그보다 더 위험한 것은 산소가 없어 죽는 질식사, 그거 말고도 혈액에 기포가 생기는 현상입니다. 혈액에는 산소뿐만 아니라 여러 기체들이 조금씩 녹아 있는데 외부 기압이 낮아지면 아까 사이다 실험에서 보신 것처럼 혈액 속에 녹아있던 기체가 기포 형태를 나오면서 혈관을 막아버리게 되고 이로 인해서 죽을 가능성이 크다고 합니다. 아까 제가 펌프를 사용해서 공기를 빼내는 것을 보셨을 겁니다. 피스톤이 빠질 때는 진공 상자에서 공기가 빠져나가는 게 자연스럽습니다. 하지만 피스톤을 다시 집어넣으면은 공기가 다시 들어가야 하는 게 정상이 아닐까요? 어떻게 피스톤을 단순 왕복시킨다고 해 가지고 공기가 들어갔다 나왔다 하는지 이상하지 않습니까? 펌프가 한쪽 방향으로만 계속 공기를 뽑을 수 있는 것은 펌프 내부에 고무막이 있기 때문입니다. 고무막 하나는 펌프의 안쪽에 붙어 있어서 안쪽으로 열리고 두 개는 펌프의 바깥쪽으로 열 수 있게 돼있습니다. 아래 진공상태를 연결하고 여기 있는 파란 피스톤을 당긴다면 피스톤 내부의 압력이 낮아지니까 가운데 고무막이 위로 열리고 진공 상자에 있던 공기 분자들이 펌프 내부로 들어옵니다. 바깥공기 분자들도 역시 여기 펌프 안으로 들어가고 싶어 하지만 고무막을 밀면 밀수록 문이 닫히는 구조로 되어 있습니다.

인체 내에 진공펌프 원리

무슨 뜻이냐면 지금 이 방 안에 문이 있는데 문을 안쪽으로 열어야 하면 열릴 수 있는 구조입니다. 방안에 수십 명의 사람들이 갑자기 방에서 탈출하고 싶어 가지고 저 문을 향해게 달려가면 첫 번째 사람이 이 문을 당겨서 열어야 되는데 뒤에서 막 밀어 재끼는 사람들 때문에 이 문을 열 수가 없습니다. 오히려 빨리 나가려고 하면 할수록 이 문은 더 굳게 닫히게 되는 거죠. 그것과 똑같은 원리가 바로 이 고무막에 적용이 되어 있습니다. 이제 반대로 피스톤을 미는 경우를 생각해 봅시다. 펌프 내부의 압력이 증가하니까 이젠 공기들이 바깥으로 나가고 싶어 하는데 진공 상자로 가는 문은 밀면 밀수록 되려 막히는 구조로 되어 있으니까 이 문을 열 수가 없고 바깥으로 나가는 문으로만 빠져나갈 수가 있습니다. 그래서 이렇게 피스톤을 계속 왕복만 시켜도 진공 상자 안에 공기는 계속 줄어 주는 효과가 생기는 것이죠. 고무막 몇 개를 붙이는 것만으로도 이렇게 진공펌프가 만들어집니다. 그런데 놀라운 것은 이 아이디어가 이미 우리 몸에 숨어 있다는 것입니다. 바로 심장인데요. 심장에는 폐동맥판, 대동맥판, 삼천판, 승모판이라고 이름 붙은 것들이 아까의 그 부드러운 고무막에 해당합니다. 심장이 수축을 하면 그 압력으로 인해서 한쪽 혈관으로 가는 문은 열리지만 반대쪽 혈관의 길은 막히게 됩니다. 심장이 팽창을 하면 그 반대 현상이 일어나고요, 그래서 피는 언제나 정해진 방향으로 흐르게 됩니다. 원래 생각하기에는 혈관 안에서 피를 한 방향으로만 흐르게 하려면 물레방아 같은 구조가 필요하지 않을까 이런 생각이 듭니다. 그렇게 되면 우리 몸은 아주 복잡해졌을 것입니다. 그런데 실제로는 이런 단순한 맞구조를 사용해서 심장의 팽창 수축 만으로도 피를 한 방향으로 순환시키고 있는 것이죠. 이렇게 지금까지 우리 주변에 있는 공기압력이 사라지거나 약해지면 물체에 어떤 일이 일어나는지 살펴보았습니다. 다음 강의에서는 대기압의 크기가 실제로 어느 정도 되는지 한번 살펴보도록 하겠습니다.