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1. 개요
壓 力 / pressure압력은 단위 면적당 '수직으로' 미치는 힘을 뜻한다. 단 반드시 정확한 면적을 필요로 하지는 않는데, 따라서 전체적인 힘이 약해도 매우 작은 면적에 미칠 경우 압력은 높아지며, 반대로 비교적 강한 힘이라도 넓은 면적에 대해 미치면 압력은 작아진다. 예를 들어 압정 끝은 면적이 매우 작기 때문에 큰 압력이 걸리곤 한다. 압축력이라고도 한다.
여기서 압력을 설명할 땐 '수직으로' 라는 조건이 반드시 들어가야 한다는 것에 유념해야 한다. 응력 문서를 참조하면 알 수 있지만, 단위 면적당 작용하는 힘이 항상 수직인 것은 아니기 때문이다.[1] 고체역학적으로 보다 엄밀하게 들어가게 되면 압력은 응력의 대각 성분의 평균으로 정의된다. 따라서 응력은 텐서이고, 압력은 스칼라이므로 완전히 다른 물리량임을 알 수 있다.
수학적 정의는 다음과 같다. 압력을 [math(p)], 압력이 가해지는 부분의 면적을 [math(A)], [math(A)]에 가해지는 수직 방향의 힘의 크기를 [math(F)]라고 할 때
| [math(p=\dfrac FA)] |
한편 압력은 [math(pV = nRT = Nk_{rm B}T)]이나 [math({\rm d}U = T{\rm\,d}S - p{\rm\,d}V)]처럼 분석하고자 하는 대상에 따라서는 에너지의 밀도라고 해석할 수도 있다.[2] 볼츠만이 1884년 슈테판-볼츠만 법칙을 수학적인 방식으로 증명할 때에도 흑체에서 복사되는 빛의 복사압 [math(p)]와 에너지 밀도 [math(u)]의 관계가 [math(p = \dfrac13u)]라는 것을 이용했다.
전압은 현대적인 관점에서 보면 이름과는 달리 압력의 일종이 아니다. 영어에서도 과거에는 electric pressure(전기압력)라는 명칭을 쓰곤 했는데, 전술한 것처럼 압력은 에너지의 밀도[math({\left(E = pV \Leftrightarrow p = \dfrac EV\right)})]이고 전압 역시 전하로 매개되는 에너지의 일종[math({\left(E = q\varPhi \Leftrightarrow \varPhi = \dfrac Eq\right)})]이라고 판단했기 때문에 전압이라는 명칭이 붙어버린 것.[3] 전압(전위차)의 개념을 설명할 때 오늘날에도 자주 비유적으로 쓰이는 게 수위차(수압)라는 점을 생각하면 어쩔 수 없는 부분이긴 하다. 자세한 것은 전기 퍼텐셜을 참고하자.
2. 단위
사용 단위는 SI 단위로 Pa(Pascal, 파스칼)이 있으며, 그 외에 다른 단위들도 많이 쓰이고 있다.-
Pa (Pascal, 파스칼)
SI 단위로서 기호는 Pa. 파스칼은 프랑스의 과학자이며 철학자인 블레즈 파스칼의 이름에서 따온 것이다. 1 뉴턴(N)의 힘이 1제곱미터에 미치는 경우의 압력이다. 즉 1 Pa = 1 N/m2. 예전에는 이 단위가 없었고, 그냥 N/m2 을 썼었다. 1971년에 이 단위가 압력에 대한 SI 단위로 도입되었다. 대기압을 나타낼 때는 헥토(h)를 앞에 붙여서 헥토파스칼로 많이 쓴다. 헥토(h)는 10의 2제곱, 즉 100을 나타내는 SI 접두어다. 1기압은 1,013.25 hPa 산업적으론 1백만 파스칼인 1 MPa를 많이 쓴다. -
atm (standard atmosphere, 기압)
기압. 1기압이니 2기압이니 할 때의, 단위로서의 기압이다. 고도에 따라 기압이 다르기 때문에 해수면 근처에서 잰 대기압을 기준으로 삼아 1기압이라 한다. 정확히는 101.325 kPa, 즉 1013.25 hPa이다. 간략한 계산이 필요할 때는 대충 대기의 1기압은 1000 hPa로 퉁치기도 한다. 즉 대략 1 MPa = 10기압. -
kgf/cm2
atm과 비슷하게 많이 쓰이는 상용 단위는 kgf/cm2인데 제곱센티미터당 1 kg중 (= 9.8 N(Newton))의 힘이 가해질 때의 압력. 1 kgf/cm2 = 0.9678 atm. 1기압 = 1.033 kgf/cm2 즉, 1기압과 거의 같은 압력이다. 정식 과학 단위는 아니지만 (MKS 단위와 CGS 단위의 혼용) 에어컨이나 냉장고 등 여러 가정용 공업용 장치나 설비의 압력 상용 단위로 흔히 쓰인다. 정확히는 질량이 아니고 힘이니 kg중(force)/cm2이라고 쓰는 게 맞지만 통상 1 kg/cm2으로 오기하는 경우가 많다.
압력의 단위 환산 구분 bar atm mH2O mmHg Pa(N/m2)
1kgf/cm2 0.980665 0.9678 10.0 735.56 98,066.5 = 98 kPa = 980 hPa = 0.098 MPa -
Torr (Torr, 토르)
1기압의 1/760이다. 대략적으로 높이 1 mm의 수은이 미치는 압력과 같다. 즉 1 torr는 대략 1 mmHg.[4] 133.322 Pa, 곧 1.33 hPa에 해당한다. 이탈리아의 과학자 에반젤리스타 토리첼리의 이름에서 따온 것이다. -
mmHg (millimeter of mercury, 수은주밀리미터)
높이 1 mm의 수은(Hg)이 미치는 압력이다. 1토르와 거의 같다. 토르를 사용하기 전에 주로 사용하던 단위다. 대기압은 대략 760 mmHg, 즉 높이 76 cm의 수은 기둥이 미치는 압력과 비슷하다. 혈압 등을 나타낼 때 많이 쓰인다. -
수주밀리미터 (mmH2O, mmAq, mmWC)
높이 1mm의 물이 미치는 압력. 산업위생관리기사에서 자주 출몰하는 단위이며, 물 약 10.332 m는 1기압에 대응한다. 왜 성능이 좋은 펌프로도 물을 10m 이상 끌어올리지 못하는지에 대한 의문이 해결되는 과정에서, 1기압에서 대기가 물을 떠받칠 수 있는 한계가 바로 물의 높이가 10m 정도이기 때문이라는 사실이 밝혀지는 것은 물론, 이 과정에서 상술된 mmHg와 진공, 대기압 등이 밝혀지게 되는 등, 과학사에 나와있을 정도로 유서 깊은 단위이다. 물론 오늘날은 밀폐된 관과 모터의 힘을 사용함으로 지하 100 m이상에서도 물을 끌어 올릴 수 있다. -
bar (bar, 바)
1 bar = 106 dyne[5]/cm2. 곧 100,000파스칼과 같다. 1바는 1기압과 거의 같다. (바가 약간 작다. 1기압 = 1.01325바.)
예전 기상학 분야에서 기압의 단위로 많이 썼는데 보통 0.9xxx~1.0xx 정도로 좀 애매한 값이 나오므로 보통은 밀리바를 써서 3~4자리 숫자로 만들어 이용하였다. 이후 80~90년대부터 차츰 파스칼로 바뀔 때 표기 변경으로 인한 혼동을 줄이기 위해 일부러 그냥 파스칼이 아닌 헥토파스칼을 써서 동일한 수치를 이용하고 있다. 1밀리바 = 1헥토파스칼이므로. -
psi (pounds per square inch, 제곱인치당 파운드)
1제곱인치당 1파운드중의 힘이 가해질 때의 압력. 약 6,895 Pa에 해당한다. 타이어 공기압 등에서 흔히 사용된다. kg/cm2의 야드파운드법 버전이라고 볼 수 있다. 14.22 psi = 1 kg/cm2, 0.0703 kg/cm2 = 1 psi, 1기압은 약 14.7 psi이고 1 Mpa = 약 145 psi이다.
3. 여러가지 압력의 표현
압력, 특히 기체나 액체의 압력은 무엇을 기준으로 삼아 표현하느냐에 따라 여러 종류로 표현된다.-
절대 압력 (absolute pressure)
완전한 진공 상태를 압력 0으로 하고, 이를 기준하여 측정한 값. 여기서 완전한 진공은 밀폐된 용기 안에 기체 분자가 하나도 없거나 기체 분자의 운동 에너지가 0인 상태를 말한다. 진공에 대한 압력이므로, 바람 빠진 풍선도 1기압이다. 기압을 나타낼 때 일반적으로 절대 압력이 사용된다.
대기압 + 게이지 압력 또는 대기압 - 진공압과 같다. 보통 Pabs 혹은 Pa로 표기한다. -
게이지 압력 (gauge pressure)
대기압을 압력 0으로 삼는 압력. 대기압보다 낮은 압력은 부(負, 음압)로 취급되는데, 마이너스 기호는 보통 생략된다. 바람 빠진 풍선은 대기압과 같으므로 게이지 압력은 0이다. 일상에서 가장 많이 쓰이는 압력으로, 예를 들어 타이어 압력, 가스통의 압력, 혈압 같은 것이 게이지 압력이다. 대기압에 대한 압력이므로, 절대 압력이 일정하더라도 주변 기압이 변하면 게이지 압력은 변한다. 예를 들어 고공으로 올라가는 알루미늄 풍선의 절대 압력은 항상 같지만, 알루미늄 풍선의 고도가 높아짐에 따라 주변 기압이 낮아지므로 게이지 압력은 시시각각으로 커진다.
절대 압력 - 대기 압력과 같다. Pg, Pe 로 표기한다. -
차압 (differential pressure)
두 지점간의 압력 차이. ΔP로 표기한다. -
진공도
대기압 이하의 압력을 진공이라 하고 진공에서의 게이지 압력을 진공도라고 한다. 진공도는 어떤 상태에서의 압력과 대기압의 차이를 말하며, 대부분 mmHg의 단위로 나타낸다. 진공도는 그 값과 760 mmHg와의 비율(%)로 나타내는 경우도 많다.
진공도(%) = 진공압력 ÷ 대기압 × 100
4. 기타
- 권력의 행사를 가리켜 '압력을 넣다'라는 관용적 표현이 있다.
[1]
가장 단순한 사례로 종이를 찢는 것이 있다.
[2]
차원을 분석해보면 압력은 [math({\rm N/m^2} = \dfrac{\rm kg{\cdot}\cancel m/s^2}{\rm m^{\cancel2}} = {\rm kg/(m{\cdot}s^2)})]에서 [math(\sf ML^{-1}T^{-2})]이고 에너지의 밀도는 [math({\rm J/m^3} = \dfrac{\rm kg{\cdot}{\cancel m^2}/s^2}{\rm m^{\cancel3}} = {\rm kg/(m{\cdot}s^2)})]에서 [math(\sf ML^{-1}T^{-2})]로 같다는 것을 알 수 있다.
[3]
다른 공통점으로는 거리 내지 높이(1차원
측도)에 비례하는 함수 꼴로 다룰 수 있다는 것이다. [math(V = Ed)], [math(p = \rho gh)]이다.
[4]
1mmHg의 측정치와 1/760 기압을 비교해 보면 0.000015% 가량 차이난다.
[5]
1g의 물체를 1초 동안 1cm/s까지 가속시키는 데 필요한 힘. 즉 10-5N와 같다.