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중3과학/2단원(기권과 날씨)

토리첼리 대기압 실험 - 수은기둥

by 민서아빠(과학사랑) 2020. 5. 19.

아래 링크에서 토리첼리 대기압에 대한 가상실험 하다가 왔겠지?

http://sciencej1.cafe24.com/html5/Torricelliexperiment/Torricelliexperiment.html

가상실험에서 해 봐야 할 것은

1. 시험관을 위로 최대한 들어 올리면서 수은이 계속 따라 올라 오는지

2. 그 상태에서 시험관의 각도를 조절하면 수은 기둥의 높이가 어떻게 되는지

3. 시험관의 두께가 변하면 수은 기둥의 높이가 어떻게 변하는지

4. 고기압이나 저기압이 접근하면 수은 기둥의 높이가 어떻게 변하는지

5. 산 꼭대기에서 측정하면 어떻게 될지 생각해 보기.

 

1. 그럼 우선 기압에 대해 알아 볼까?

우리가 살고 있는 지구는 지구를 둘러싸고 있는 공기가 누르는 압력을 받고 있어.

그게 대기압이지

안 느껴진다고? 왜냐하면 우리는 지구 환경에 적응해 왔기 때문이야. 우리 몸속에서도 외부와 같은 1기압의 압력을 유지하고 있기 때문에 그래.

대기압을 어떻게 확인할수 있냐고?

글쎄 눈에 보이지 않아 설명하긴 어렵지만, 공기가 없는 우주공간과 비교해 보면 되지 않을까? 공기가 없는 진공인 우주공간으로 나가면 기압이 없기 때문에 사람이 우주선 밖으로 나갈 수도 없어.

캔이 찌그러지지 않는 이유도 캔 안에 들어있는 공기가 1기압으로 밀어내고 있기 때문이야. 캔안에 기압을 없애면 어떻게 되냐고? 그건 동영상으로 확인해 봐. 눈에 보이지 않아도 공기가 누르는 기압이 있어. ^^
한가지 더 기압의 작용방향은?  위에서 아래(X)  아니고 모든 방향에서 작용해, 캔이 찌그러들때 위에서 아래로 찌그러들지 않는 걸 보면 알 수 있지.

 

 

2. 대기압 확인

지구에서는 대기압을 확인 할 수 없냐고?  압력이란 단위 면적당 작용하는 힘(무게) 이니까 같은 단위 면적에 작용한다고 가정하고 무게로만 설명해 볼께 (이건 초등학생도 이해할 수 있어)

 

쉽게 생각하면 양팔저울을 준비하고

왼쪽접시에는 대기권에 있는 공기 높이만큼 공기를 올려놔 (그럼 엄청 높이가 높겠네요?) 그렇지 열권까지 포함하니까

오른쪽에는 왼쪽 기압과 같아 지도록 무거운 물체를 올려 가면서  양팔저울 처럼 평형을 만들어 보면 되지 않을까?

만약 공기 무게가 더 커서 왼쪽으로 기울어 진다면 우측에 더 무거운 걸 올려서 무게를 같게 만들어야 겠지.

그래서 평형이 되면 공기가 누르는 무게를 측정할 수 있겠지. 같은 단위면적에만 올려 놓으면 무게는 기압으로도 바꿔 말할 수 있어

단 이렇게 하려면 조건이 필요해

오른쪽 올려 놓은 물체의 위쪽에는 공기가 있으면 안되, 왜냐하면 오른쪽에 올려 놓은 물체 위에 공기가 있다면 물체의 무게에 공기의 무게가 합쳐지니까 물체의 무게만 가지고는 정확한 기압을 알아낼 수 없지.

(그럼 우주공간으로 나가야 하나요?) 글쎄. 쉽지 않은데...

3. 토리첼리 대기압 실험

그런데 토리첼리라는 과학자가 이걸 해결해 낸거야.

시험관 안에 수은을 가득 집어 넣고, 거꾸로 뒤집어 놓았더니, 수은이 무게에 의해 아래로 밀려 내려오면서 위에 빈 공간이 생기게 되는데, 이 공간이 진공이라는 걸 알아낸 거지(당연하겠지, 그 안에는 아무것도 들어갈 수 없으니까) 즉 수은이 든 시험관을 거꾸로 뒤집어 놓으면 공기의 무게가 더해지지 않은 수은의 무게만 측정이 가능하다는 거지. 수은을 사용한 이유는 수은이 다른 물질보다 상당히 무겁기 때문에 많이 쌓지 않아도 되거든.

 

그럼 토리첼리는 어떤 저울을 사용했냐고?

지구 대기를 측정할 수 있는 저울은 없어, 하지만 아까 우리는 항상 1기압의 대기압을 받고 있다고 했지. 그러니까, 풍선이나, 사람이나, 공이나 바다도 모두 대기압에 의해 눌리고 있는거야.

 

토리첼리는 저울 대신 기압을 비교하는 방법을 생각해 낸 거야.

 

수조에 수은을 부어 놓으면 수은 표면도 지구를 둘러싼 공기에 의해 눌리게 되지, 그럼 시험관안에 수은을 가득 채운 다음 손가락으로 입구를 막고 수은 안에 거꾸로 뒤집어 놓은 다음 손가락을 치우면 대기압이 누르는 힘에 의해 수은시험관 안의 수은이 내려오지 못하고 관안에 꽉 차 있게 되.

그런데 거꾸로 뒤집어 놓은 수은 시험관 높이를 점점 높게 하다보면, 수은 높이가 수은표면으로 부터 76cm 가 되는 지점부터는 더이상 수은이 시험관을 따라 올라가지 않는 거야.

 

왜 그럴까?

 

그렇지 공기가 수은표면을 누르고 있는 대기압과 수은기둥 76cm 가 누르는대기압이 같아지기 때문이야. 이제 우리는 지구를 누르는 공기의 무게에 의한 대기압이 수은기둥 76cm 의 무게에 의해 생기는 압력과 같다는 걸 알아낸 거야.

 

갑자기 무게에서 기압으로 바꾸어 말하니까 어렵다고, 그럼 이제 기압으로 생각해 볼까

 

U자관을 생각해 보자. U자관에 물을 채워 넣으면 양쪽 높이가 같아지겠지? 그런데 왼쪽에 물을 더 넣어서 눌러주면 어떻게 될까? 그렇지 양쪽 물높이가 똑같아 질때 까지 오른쪽이 올라갈거야

왼쪽에 물대신 손으로 누르면, 물대신 공기로 누르면, 누르는 압력에 따라 반대쪽 물의 높이가 높아질거야. 그럼 우리는 높아진 오른쪽 물의 높이를 보고 왼쪽면에 누르는 압력을 예측할 수 있지.

그런데 물은 무게가 가볍기 때문에 조금만 압력을 가해도 물의 높이가 상당히 높아지는 단점이 있어. 물의 높이를 확인하려면 매번 4층 건물 꼭대기로 올라가야 할 걸

그래서 물보다 더 무거운게 없을까 생각하다가 찾아낸게 수은이지. 수은은 물보다 13.6배나 무거워. 즉 같은 압력으로 물 기둥이 13.6m 올라간다면 수은기둥은 1m 정도 올라간다는 거지. 이제 4층까지 올라가지 않고, 그냥 서서도 확인할 수 있어.

 

그럼 이제 실험해 볼 수 있겠군. U자관을 만들고 수은을 넣어 놓은 다음 오른쪽면의 위쪽은 막고 다른쪽 면은 공기에 의한 대기압에 의해 자연스럽게 눌리게 두면, 높이가 같던 표면에서 오른쪽 면에 수은기둥이 얼마나 올라가는지 측정하면 대기압을 알 수 있겠지. 역시 ^^

 

그런데 실제로 이렇게 해보면 전혀 올라가지 않아. 이유를 알겠니? 그렇지 오른쪽 면에도 이미 대기압에 해당하는 공기가 들어 있기 때문에 양쪽 압력이 같기 때문이지. 아까 위에서 말한 것 처럼 오른쪽 수은기둥 위에 있는 공기를 없애야지 왼쪽 대기압에 의한 압력과 오른쪽 수은기둥에 의한 압력을 비교하면서 측정할 수 있어

 

한가지 방법은 오른쪽 관 위에 진공장치를 달아 공기를 다 빼내는 방법이 있지. 그럼 공기가 빠진 만큼 수은기둥 높이가 높아질 거야. 그런데 그렇게 하기는 정말 힘들 거든, 그래서 생각한 방법이 토리첼리가 한 실험처럼 처음부터 공기가 들어가지 않게 수은을 꽉 채워 놓고 수은기둥을 들어올리게 된거지. 그럼 대기압 만큼만 수은기둥이 높아지게 되거든, 수은기둥 위쪽은 당연히 진공이 되고.

 

U자관을 만들기 어렵다면 가상실험 처럼 시험관 안에 수은을 가득 채우고 끝을 손가락으로 막고 거꾸로 뒤집어 놓아도 되.  그리고 수은이 들어있는 시험관을 점점 높여 봐도 되. 아니면 아예 1m 시험관에 수은을 가득 채운 다음 끝부분만 수은에 담가도 되겠지.

 

기압을 비교하는 실험이기 때문에 시험관의 넓이나 기울어지는 정도와 상관 없이 1기압이라면 수은기둥의 높이는 항상 76cm 가 되지. 만약 시험관이 넓이가 영향을 미친다면, 얼마만큼 두꺼운 시험관을 사용하라고 이야기 했겠지. 이야기 하지 않은 이유는 시험관의 두께는 영향을 미치지 않는 다는 거야

 

만약 물로 하면 수은보다 가벼우니까 약 10m 정도 물기둥이 올라가게 될거야. 아래 선생님이 직접 실험해 본 영상이 있어 확인해 봐.

 

 

 

<해보기>

가상실험에서 시험관의 기울기나 두께, 그리고 기압 조절을 해 가면서 관찰해 봐.

시험관을 드래그 해서 이리 저리 움직여 보면서 위에서 설명한 것들과 비교해 보길 바래.

 

<참고>

수은기둥의 높이가 변하는 걸로 날씨를 예측할 수 있어. 수은기둥높이가 높아진다면 대기압이 커지는 거니까 고기압이 접근하고 있다는 거지 날씨가 맑아질거야. 만약 수은기둥의 높이가 점점 낮아진다면 대기압이 작아지는 거니까 저기압이 접근하고 있다는 거지. 날씨가 흐려지거나, 비가 내릴 거라는 걸 알 수 있어.

 

아래 선생님이 찍은 영상을 보면 시험관 안에 공기가 들어있어서 토리첼리와 같은 실험은 아니지만, 주변 기압에 따라 높이가 달라지는 건 확인할 수 있어.

 

 

<추가질문>

11m 높이의 옥상에 있는 슈퍼맨에게 길이가 11m가 되는 빨대를 주면 지상에 머그컵 안에 있는 물을 먹을 수 있을까? 물론 슈퍼맨은 11m 옥상에서 내려올 수 없다고 가정하고, 머그컵도 일반 머그컵이고, 빨대도 휘거나 옆으로 기울이면 안된다고 가정해야 겠지.

(슈퍼맨은 물을 먹을 수 없어. 왜 그럴까? 오늘 배운 과학적 원리를 이용해서 한번 생각해 보렴)

 

 

 

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