진공(Vacuum) 알아보기

진공은 사전적인 의미로 본다면

물질이 전혀 존재하지 아니하는 공간.

인위적으로 만들어 낼 수는 없고.

실제로는 극히 저압의 상태를 이른다.라고 나와 있습니다.

 

실제로도 완벽한 진공 상태를 만들 수는 없습니다.

우리는 단지 완벽한 진공에 도달하려고 수많은 노력을 하는 것뿐입니다.

그리고 우리는 이 진공이라는 개념을 이해하기 위해서는 압력을 이해하고 있어야 합니다. 

 

압력은 단위 면적에 수직으로 작용하는 힘을 말합니다.

같은 크기의 힘을 주어도 면적이 좁을수록 더 큰 압력이 가해집니다.

압력을 수식으로 표현을 하면 

P=F/A 

A는 힘이 작용하는 면의 크기, F는 면에 수직으로 가해지는 힘입니다.

압력은 작용하는 대상에 따라 용어가 조금씩 다릅니다.

 

예를 들어

물에 압력은 수압이라고 하고,

기체의 압력은 기압이라고하는 것들이

대표적인 예라고 할 수 있을 것 같습니다.

 

압력의 단위는 국제단위계에서는 파스칼(Pa)이라고 하며,

1971년 이전에는 단위 미터제곱 당 뉴턴(N/m^2)으로 사용했습니다.

그 외 다양한 분야에서 사용되기 때문에 여러 가지 단위가 사용되고 있습니다.

보통 기계적인 힘 등에 대해서는 파스칼(Pa),

대기압은 atm(Standard atmoshpere) 같은 단위가 쓰입니다.

 

토르(Torr)도 압력의 단위로

기압계의 원리를 발견한 이탈리아 물리학자 토리첼리의 이름에서 유래한 단위입니다. 

1643년 토리첼리가 길이가 1미터이고 한쪽 끝이 막힌 유리관에 수은을 가득 채운 후,

막힌 부분을 위로 하여 유리관을 수은이 든 용기에 거꾸로 세워 놓으면

유리관 속의 수은이 밑으로 내려가 약 76cm의 높이에 멈추고 유리관 위쪽은 진공 상태가 되게 됩니다.

유리관 속 수은기둥 높이가 76cm를 유지하는 것은

수은 기동의 무게가 그릇에 담긴 수은의 표면에 작용하는 대기의 압력과 균형을 이루기 때문으로

1기압(=atm)은 높이 76cm인 수은 기둥의 무게와 같다는 사실이 발견되었고,

이는 진공 및 기압의 측정 단위를 만드는데에도 기초적인 개념이 되게 됩니다. 

 

토리첼리 실험

 

여담으로 원래 실험은 수은이 아닌 물을 이용했었습니다.

하지만 물은 수은보다 가벼운 액체라 길이간 긴 유리관(10m)이 필요했지만

그 당시에는 긴 유리관을 만드는 기술이 없었기 때문에

수은으로 변경하여 실험을 진행하게 된 것입니다. 

 

하지만,

국제 표준 압력 단위로는 파스칼(Pa)을 사용하게됩니다.

파스칼 단위가 생기게 된 이유도 토리첼리실험과 관련이 있습니다.

파스칼과 토리첼리는 동시대에 살고 있었는데 파스칼이 토리첼리 실험에 관심을 가지고 있었고,

파스칼은 두가지를 확인하게 됩니다.

첫 번째는 어느 액체를 사용해도 진공상태가 발생한다는 것이고,

두 번째는 높이가 높을수록 유리관의 진공 부분이 커진다는 것을 확인하였습니다.

이 실험의 결과로 대기압이 존재한다는 것을 실험적으로 증명하게 되고

이는 곧 국제 표준 압력 단위가 되게 됩니다.

 

즉, 1기압은 760 Torr와 동일하다고 이해하시면 됩니다.

진공을 쉽게 설명을 하자면 1기압인 760 Torr 보다 압력이 낮은 상태를 말합니다.  

 

진공의 상태는 압력이 얼마나 낮은가에 따라서 달라지게 됩니다.

진공도가 더 낮을수록 기체 분자들이 그 공간의 벽을 만나기 전에

다른 기체 분자를 만날 확률이 낮아지게 됩니다.

즉, 진공도가 낮을수록 기제 분자 수가 적은 상태를 말하기도 합니다. 

 

우리가 인위적으로 진공을 만들기 위해서 다양한 종류의 펌프를 이용하게 됩니다.

이 펌프의 역할은 공기의 분자를 빼내어 낮추는 역할을 하게 됩니다.

그러므로 어떠한 펌프를 사용하느냐에 따라서도 진공도도 달라지게 됩니다.

 

보통 저진공으로 로터리 펌프를 많이 이용하고

고진공의 경우는 터보 분자 펌프를 많이 사용합니다.

리고 고진공 보다 더 높은 진공을 만들려면 이온펌프가 필요로 합니다.