진공을 만든다는 것의 의미

   진공을 만들기 전에 미리 말해두는 점 하나는 우리는 진공에 가까운 상태로 다가갈 순 있어도, 완전한 진공을 얻을 수는 없다는 것이다. 챔버내를 진공 상태로 만들기 위해서 해야 할 일은 매우 간단하다. 챔버내의 기체분자를 제거하는 것뿐이다. 당연한 말 같지만 누군가는 여기에 '왜? - Why?' 라는 의문을 던질 수도 있다. 사실 과학적 사고에서 'Why' 만큼 중요한 것도 없다. 

    어느 공간을 진공으로 만든다는 것의 의미는 그 공간의 압력을 최대한 낮추는 작업이다. 앞에서 대기압이나 진공 청소기의 원리 등을 설명할 때 진공은 진공 자체에 힘이 있는 것이 아니라 압력차이 때문에 힘이 발생한다는 이야기를 했던걸 상기하기 바란다. 그리고 미안하지만 간단한 공식을 하나 이야기 하자. 하지만 전공이 과학이나 공학이라면 누구나 한번쯤 봤을 만한 공식이기 때문에 어려움은 없을 것이다.   

PV = nRT

    이상기체 방정식이다. 이 방정식은 보일(Robert Boyle, 1627~1691)의 법칙, 샤를(Jacques A. C. Charles, 1746~1823)의 법칙, 그리고 아보가드로(Amedeo Avogadro, 1776~1856)의 법칙을 모두 종합하여 나온 법칙이다. P는 기체의 압력, V는 부피, n은 기체의 몰수, T는 온도를 나타내며 R은 기체상수를 의미하고 있다. 위 식에서 좌변에 P만 남기게 되면 아래처럼 표현이 된다.

 

   혹시나 과학이나 공학이 전공이 아닌 분들이라면 이 법칙을 모르는 분들도 있겠고, 또 본적은 있다 하더라도 식을 암기하지 못할 수도 있는데 그렇다고 전혀 어려워할 이유는 없다. 이러한 공식이란 것 들은 모두 말로 풀어 설명할 수 있다. 그것을 길게 쓰고 싶어하지 않는 사람들이 편의를 위해 그저 간단히 기호로 나타낸 것에 불과하다. 위 식의 왼쪽의 P 는 압력이라고 했다. 그리고 그 압력은 오른쪽에 있는 각각의 변수들에 의해서 결정된다. 어려운 이론을 꺼내올 필요없이 그저 우리가 알고있는 상식만을 생각해보자. 등호 오른쪽의 n은 기체의 몰수이고, 이것은 기체가 얼만큼 있느냐 하는 양을 이야기 한다. 같은 부피내에 기체의 양이 많으면 많을수록 압력이 높아질거란 것은 누구나 예상이 가능할 것이다. 기체상수 R이란 값은 8.314J·K^-1·mol^-1라는 변하지 않는 고정된 값이다. 변하지 않으니 압력도 이에 따라 변하지 않는다는 것만 알면 된다. 

   이제 온도 T 를 생각해보자. 어떤 원리 때문인지 설명은 못할지 몰라도 대부분의 사람들은 어릴 때 부터의 경험적 지식으로 물체의 온도가 올라가면 팽창한다는 것을 알고있다. 기체가 팽창한다는 것은 그 주변에 힘을 가한다는 뜻이고 결국 내부 압력이 증가했다는 의미이다. 마지막으로 분모에 위치한 부피 V 의 경우를 보자. 부피가 분모에 자리잡고 있다는 것은 압력과는 서로 반비례 하고 있다는 것인데, 출근시간 사람들이 바글바글한 지하철을 한번 생각해보자. 사람들이 없을때엔 이리저리 움직이며 앉아서도 편하게 갈 수 있지만, 출근시간에는 발 디딜 틈 없이 많은 사람들 때문에 움직이지 못하고 사방에서 사람들의 밀려오는 힘인 압력이 나를 누르고 있다. 이것은 나에게 허용된 공간, 즉 부피가 줄어들었기 때문이다. 그래서 부피가 줄어들수록 압력 P 는 증가한다. 이상기체의 성질은 이렇다.  

   그렇다면 이 모든 변수들을 하나하나 고려해야 할까? 분명 압력 P는 모든 변수들에 의해 다 변화하지만 우리가 진공을 만들 때 반드시 그래야 할 필요는 없다. 실험에서 변수 하나만 정밀하게 조절 할 수 있다는 것도 대단한 일인데, 모든 변수들을 하나하나 제어한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 그래서 굳이 고려할 필요가 없는 것은 제외시켜보자. 우리는 챔버라는 한정된 공간에서 작업을 해야하고, 그에 맞게 이들 변수들을 조절 할 필요가 있기 때문이다. 챔버내의 온도 T는 몇도인지 알 수 없지만 일정하다고 가정하자. 기체상수 R은  8.314J·K^-1·mol^-1의 값을 가져서 일정하며, 부피 V도 챔버의 크기가 변하지 않는 한 일정하다. 일정하다면 그것은 변수가 아닌 상수가 되어버리기 때문에 조건에서 제외시킬 수 있다. 그렇다면 남는 것은 압력 P와 기체의 몰수 n 이고, 두 기호의 관계는 비례하고 있다

   챔버내를 진공으로 만든다는 것은, 챔버내의 압력을 낮추는 일이라고 했다. 결국 챔버내의 기체분자의 양, 즉 기체의 몰수를 낮추면 낮출수록 압력도 낮아진다. 그리고 기체의 몰수를 낮추는 역할은 다양한 종류의 진공펌프가 대신해주고 있다. 

 

 

...by 개날연..

 

 

 

 

 

 

P.S :

 

개인적으로 이야기를 하면서 식을 쓰는것을 무지 싫어한다. -_ -

식이란 것들은 수학자들이 보면 아름다운 기호들의 집합일지 몰라도..

적어도 내게 있어선 수식이나 공식들은 이야기를 딱딱하고 재미없고 지루하게 만들기 때문이다. -_ -

그래서 가능한 식은 안쓰러고 하고, 그걸 이야기로 풀어 말하고자 하고있다.

 

그런데 정말로 어쩔수 없이 필요한 최소한의 식들이 몇개 있다.

또한, 이야기와 식을 같이 쓰는것이 유리할 경우도 있다.

E = mc² 처럼, 대부분 너무도 유명하고 또 일반적인 경우에 그러한데..

그런것들은 나타내도 문제없다고 생각한다.

그중 하나라고 생각하는게 저 이상기체 방정식이다.. -_ -