진공(Vacuum)이란 무엇인가?
진공이라는 단어는 우리에게 꽤나 친숙한 단어 중 하나입니다.
생활 필수품이 되버린 진공 청소기를 비롯하여 진공 포장, 진공 팩 등
실생활에서 이미 많이 사용되고 있는 단어이고 과학이나 산업 분야로 조금만 더 들어가봐도
진공은 그리 접하기 어려운 단어가 아닙니다.
하지만 우리가 진공에 대해 정확하게 알고 있을까요?
막연하게 '비어진 상태' 정도로만 정의하고 있지 않습니까?
이번 시간에는 진공에 대해 알아보도록 하겠습니다.
진공의 역사
진공(Vacuum)이라는 단어는 빈공간 이라는 뜻의 라틴어 'Vacuus' 유래되었는데
영어의 단어 중 두개의 'U' 가 연속으로 오는 몇개 안되는 단어 중 하나입니다.
진공의 존재에 대한 논의는 고대 그리스 시대부터 현대까지 계속되어 왔습니다.
그리스의 철학자들은 원자설을 바탕으로 빈 공간과 진공의 존재성에 대해 많은 토론을 진행했는데
플라톤(Plato)과 아리스토텔레스(Aristotle) 같은 유명한 철학자들도 주장를 펼친 흔적이 남아있습니다.
특히 아리스토텔레스는 전 우주는 연속적인 물질로 차있기 때문에 자연에 진공은 존재하지 않는다고
주장했고 후대에는 그의 '자연은 진공을 싫어한다(nature abhors a vacuum)'는 명제가
진공에 대한 절대적인 진리로 받아들여졌습니다.
아리스토텔레스(Aristotle - 왼쪽)와 토리첼리(Evangelista Torricelli - 오른쪽)
사진 출처 : Wikipedia
17세기에는 우리에게 익숙한 토리첼리(Evangelista Torricelli)가 등장합니다.
이탈리아의 수학자이며 물리학자인 그는 수은 기압계를 만들어 대기압을 정의했는데
그 과정은 아래와 같습니다.
토리첼리의 실험 과정
1640년 이탈리아 토스카나 공국의 대공의 저택에서 약 12m 깊이의 우물을 팠는데
어떤 방법을 동원해도 물이 끌어올려지지 않는 일이 발생했습니다.
당시에는 우물이 약 10m 보다 깊은 경우 물이 끌어올려지지 않는 일이 빈번히 발생하였는데
대공은 당시 최고의 과학자 중 하나인 갈릴레오(Galileo Galilei)에게 문제 해결을 부탁했고,
갈릴레오는 그의 제자인 토리첼리에게 문제 해결을 지시했습니다.
토리첼리는 지하에서 물을 끌어 올릴 수 있는 이유에 대해
공기가 무게를 가지고 있어 물을 밀어내기 때문이라고 생각했고,
따라서 지하 약 10m 이상 깊이의 물은 공기의 무게가 부족하기 때문에
끌어올려지지 않는다는 결론을 냈습니다.
그는 그의 이론을 증명하기 위해 물보다 비중이 13배 이상 큰
수은을 사용해 실험을 진행하였고,
수은을 채운 그릇에 긴 유리관을 거꾸로 뒤집어 넣어 수은이
76cm 만큼 채워지는 것을 확인했습니다.
그는 이 실험을 통해 공기의 무게로 인해 수은이 눌려져
시험관에 76cm 높이로 채워진다고 결론짓고
공기의 무게 때문에 기압이 작용한다는 것과 수은이 차올랐다 내려간
시험관의 나머지 빈 부분이
진공 상태가 된다는 것을 확인할 수 있었습니다.
또한 유리관의 수은 높이가 매일 미묘하게 변화하는 현상도 발견했는데,
이것이 후에 수은 기압계의 원리가 되었습니다.
토리첼리는 1 기압(atm)을 760mmhg(수은주밀리미터)라고 정의했고,
후에 이것을 발명한 토리첼리를 기리기 위해
그의 이름에서 Torr 를 따와 또 하나의 압력 단위로 사용하기 시작했습니다.
완벽한 진공이란 존재하지 않는다
위에 언급한 것처럼 진공(Vacuum)이란 단어는 라틴어의 빈 공간이라는 단어에서 파생되었고,
우리가 사용하는 한자어(진공 - 眞空)도 진짜 비었다는 뜻으로 만들어졌습니다.
하지만 진공이라는 것이 이름처럼 정말 완벽하게 빈 공간을 뜻할까요?
일반적으로 진공 상태라 함은 대기압보다 낮은 압력으로 기체 분자가 채워져 있는 상태를 말하며,
절대 진공, 즉 완벽한 진공이란 있을 수 없습니다.
진공도의 표기 또한 진공도가 높아질 수록 '0.1, 0.01' 과 같이
소수점이 계속 늘어나는 형식으로 표기될 뿐, 0 이 되진 않습니다.
만약 용기가 전혀 증발하지 않는 재질이며, 용기 구성 입자의 크기가 매우 조밀하다는 가정 하에
용기 안을 배기하면 이론적으로는 인위적인 완벽한 진공을 만들 수 있지만,
현실에서는 용기의 구성 물질에 대한 증기압보다 압력이 낮아지는 순간
용기 자체가 증발해 버리기 때문에
현재까지는 완벽한 진공을 인위적으로 만들어 내는 것은 불가능합니다.
진공 단위별 진공 범위에 따른 진공도
예를 들면 대기압(1atm = 760torr)에서는
변의 길이가 10cm 인 정육면체(10cm x 10cm x 10cm = 1,000㎤ = 1L)의
한 변에 3천만개의 분자가 놓여집니다.
이 정육면체의 내부를 10E-16torr 까지 배기하면 한변에 30개의 분자가 남고,
10E-21torr 까지 배기하면 이 정육면체 전체에 분자 하나를 발견하기 힘들게 됩니다.
하지만 모든 물질 입자들이 제거된다고 해도 그 공간에는 여전히 광자나 중력자, 암흑 에너지,
가상 입자 등이 남아 있을 것이기 때문에 역시 완벽한 진공 상태는 인위적으로 만들 수 없는 것입니다.
진공(압력) 단위
위에 언급한 것과 같이 진공에 대한 단위는 압력 단위를 그대로 사용합니다.
진공 단위 간의 값
압력의 표준 단위는 파스칼(Pa) 입니다.
하지만 기상학자들은 오랫동안 기압의 단위로 밀리바(mbar)를 사용해 왔습니다.
SI(Le Système International d'Unités - 국제 단위계)가 도입된 이후에도
계속해서 예전 단위를 사용하는 것을 선호했으며, 밀리바와 동등한 헥토파스칼(hPa)도 사용합니다.
산업 현장에서도 응용 분야에 따라 Torr 나 bar, psi 등 주로 사용하는 단위가 다르기도 합니다.
공식적인 지구의 표준 대기압은 101,325 Pa 이며, 각 단위 별 환산치는 아래와 같습니다.
표준 대기압의 각 단위별 환산치
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진공 및 진공 응용 분야와 관련된
진공 센서에 대한 문의는
아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.
출처
위키피디아 : https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum
https://en.wikipedia.org/wiki/Aristotle
https://en.wikipedia.org/wiki/Evangelista_Torricelli
https://en.wikipedia.org/wiki/Ferdinando_II_de%27_Medici,_Grand_Duke_of_Tuscany
https://en.wikipedia.org/wiki/Horror_vacui_(physics)
https://en.wikipedia.org/wiki/SI_derived_unit
지식 백과 : https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1144727&cid=40942&categoryId=32232
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741377&cid=60217&categoryId=60217