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SCUBAMALL
보일의 법칙/ Boyle's Law 1)
james
08-06-27 00:00
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보일의 법칙/ Boyle's Law 1)
로버트 보일(Robert Boyle)경은 토리첼리의 연구에 크게 영향을 받은 17세기 아일랜드 출신의 과학자로서 토리첼리가 처음으로 대기로 인해 가해진 압력을 결정한 것에 반하여, 보일은 압력이 변화할 때 공기의 부피에는 어떤 변화가 오는지 알아내고자 했습니다. 보일의 법칙은 실용적인 면에서 볼 때 다이빙에서 가장 유용한 법칙이며, 한 수심에서 다른 수심과 비교하여 얼마나 빨리 공기를 소모할 것인지, 또는 주어진 압력 하에서 얼마나 많은 사용가능 한 공기 부피를 가지고 있는지 알아낼 수 있고, 이 법칙은 왜 스쿠버 다이빙에서 절대로 숨을 참아서는 안 되는지, 왜 상승하면서 BCD의 공기를 빼면서 상승(정상 상승일 경우)해야 하는지 등을 설명해 줍니다.
보일의 유명한 실험은 한쪽 끝이 밀봉된 U-자 유리관으로 이루어졌으며, 그는 이 관의 각 양쪽에 동등한 공기의 양이 만들어질 때까지 수은을 부었습니다. 이 관의 양쪽 수은의 높이가 동등하다는 것은 밀봉된 쪽의 압력이 열린 관 쪽에 가해진 공기압과 동등하다는 이야기가 됩니다. 즉 1바/ata. 그 다음 보일은 밀봉된 쪽의 공기 공간이 원래 부피보다 반이 될 때까지 수은을 추가했고, 그는 수은을 76cm 부어야 했음을 발견했으며(이 양은 1바/ata와 동등한 숫자임을 기억). 이 부피를 더욱 반으로 줄이기 위해서는 압력을 두 배로 증가시켜야 했고, 관 양쪽의 압력이 동등해야 했기 때문에 보일은 반으로 줄어든 공기 공간 역시 두 배의 압력을 가지고 있음을 알 수 있었습니다.
보일이 이 실험으로 알아낸 것은 온도가 일정하다면 기체의 부피는 절대압에 반비례한다는 것으로 이는 오늘날 보일의 법칙이라고 불리며, 만약 압력이 증가하면 이에 맞게 부피는 반드시 감소하게 되고, 압력이 감소하면 부피는 이에 맞게 반드시 증가하게 됩니다.
보일의 법칙은 우리가 상승하고 하강할 때 기체 부피에 어떤 변화가 일어나는지 예측할 수 있게 해 주며, 바닷물(Salt water)에서 매 10미터 하강할 때마다 압력이 1바/ata 증가하고, 보일의 법칙에 따르면 신축성 있는 용기 안 또는 거꾸로 든 열린 용기의 기체 부피는 수심(압력)에 정확하게 반비례적으로 늘어나거나 줄어들게 됩니다. 그래서 주어진 기체부피를 수면에서 10미터의 바닷물(2바/ata)로 가지고 가면 부피는 반이 되고, 3바/ata(바닷물 20미터)에서는 3분의 1로 줄어들고 4바/ata (바닷물 30미터)에서는 4분의 1로 감소하게 됩니다.
여러분은 이 통일적인 관계에서 주어진 부피를 새로운 수심으로 가지고 갔을 때 부피가 어떻게 변화하는지 알아내는데 사용할 수 있고, 예를 들어 280리터 부피를 수면에서 30미터로 가지고 내려갔다고 하면 절대압은 4바/ata(물의 압력 3바, 대기압 1바)가 되어 이것을 분수로 표시 하면, 분자(위의 숫자)가 원래의 부피, 그리고 분모(아래의 숫자)는 압력이 되며, 결과는 280/4 = 70 리터가 됩니다.
수학적으로 보일의 법칙을 표현하면:
PV = K
여기에서:
P는 절대압
V는 부피
K는 상수입니다.
예를 들어서 풍선의 부피가 수면에서 1 이라고 하자. 이를 수학적으로 표현하면:
(P) (V) (K)
1바/ata x 1 리터= 1
만약 이 풍선을 바닷물 20미터(3바/ata)로 가지고 내려간다면:
3바/ata x V = 1 리터
대수학을 이용하여 V를 구하면:
V = 1/3 리터 이며,
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다른 말로 하면 압력의 증가가 수면부피의 3분의 1만큼 부피를 감소시켰고, 똑같은 풍선을 바닷물 40미터(5바/ata)로 가지고 내려간다고 하면, 수면의 부피에 비교하여 새로운 부피는 어떻게 될까?
5바/ata x V = 1
그러므로
V = 1/5 입니다.
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참고문헌: Instructor Manual(PADI)
The Encyclopedia of Recreational Diving(PADI)
Diving Knowledge Workbook(PADI)
Divemaster Manual(PADI)
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