공압의 기초 지식들을 알아봅시다! 보일 샤를의 법칙

 

 

 

1.2.1 공기의 성질

우리들이 사는 지구의 둘레는 1000 km 상공까지 대기로 덮여 있으며 지표면에서 15 km 정도의 대류권에 있는 기체를 공기라 한다. 이 공기의 주성분은 질소 78.03%, 산소 20.99%와 기타 가스의 혼합물이고 수분을 함유하지 않은 건조 공기는 무색, 무미, 무취의 가스이나 실제 공기는 수분과 먼지를 함유한 습 공기이며, 이 수분은 공기 압축에 의한 공압 에너지 생성할 때에 드레인으로 발생하여 녹이 슬거나 결빙하여 공압 제어의 작동 불량의 원인이 되기도 한다.

 

 

 

(1) 대기의 압력과 단위

압력(pressure)이란 물체의 단위 표면적에 가해지는 힘의 크기로 정의되며, 그 단위는 국가마다 다르게 사용되어 왔는데 우리나라에서는 킬로그램/평방센티미터인 kgf/cm$^2$을 사용하고 있고, 미국에서는 파운드/제곱인치인 pound/inch =sq = psi 단위를 사용하고 있다. 그러나 국제단위계인 SI 단위계에서는 압력 단위로 파스칼(Pa)을 사용한다. 즉, 과거에는 국가마다 단위를 다르게 사용하였으나 국제 간 상거래를 원활히 하기 위해 국제단위계를 정해 놓은 것이 SI 단위계이며, 힘은 뉴턴(N), 압력은 파스칼(Pa) 등이 국제 표준 단위이다.

 

대기인 공기도 물질이며 질량을 가지고 있으므로 지구 인력이 작용하여 지표

1cm$^2$ 당 공기의 중량 1.033 kgf의 힘을 가하여지고 이를 대기압이라 한다. 이 대기압은 우리 몸으로는 느끼지 못하지만 항상 작용하고 있다. 공기 압력을 나타내는 방법은 기준 설정에 따라 게이지 압력과 절대 압력으로 구별된다. 게이지 압력은 대기압을 0으로 하여 측정한 값을 말하며, kgf/cm$^2$ G로 표시하거나 일반적인 계산식의 기준값으로 사용하기 때문에 kg/cm$^2$로 표시하는 경우가 많다. 게이지 압력에는 대기압보다 높은 압력을 (+) 게이지 압력, 대기압보다 낮은 압력을 (-) 게이지 압력 또는 진공압이라고 한다.

 

절대 압력은 완전 진공 0을 기준으로 표시한 값을 말하고, 대기압과 게이지 압력의 합으로 나타내며 kgf/cm$^2$ abs로 표시한다. 절대 압력과 게이지 압력과의 관계는 다음과 같다.

 

절대압력 = 게이지 압력 + 표준 대기압(1.0332 kgf/cm$^2$) : 대기압보다 클 때 = 표준 대기압 - 진공도 : 대기압보다 작을 때

 

공기 압력을 표시하는 방법으로는 표 1-3의 압력 단위가 사용된다. SI 단위계에서는 힘의 단위로 뉴턴(N)을 사용하고 압력의 단위로는 파스칼(Pa)을 사용한다. 그러나 파스칼 단위는 매우 작으므로 10$^3$ 배한 kPa이나 10$^6$배한 MPa이 자주 사용된다. 진공인 경우에는 그 진공도에 따라 절대 압력과 게이지 압력이 구분 사용된다. 즉, 진공도가 높지 않은 경우에는 게이지 압력으로 나타내며, 완전 진공에 가까운 고 진공도인 경우에는 절대 압력으로 표시한다.

 

 

 

1.2.2 공기의 상태 변화

공기뿐 아니라 모든 기체는 압력, 체적, 온도의 세 가지 중요한 요소가 있으며 이 세 가지 요소의 사이에는 일정한 관계가 있다. 따라서 이 세 변수 중 두 변수가 정해져 있으면 나머지 하나는 자연히 결정되며 이 세 가지 요소 간의 관계식을 상태식이라 한다. 이 법칙은 보일(Boyle)과 샤를(Charles)에 의해 발견되었다.

 

 

 

(1) 보일의 법칙

기체의 온도를 일정하게 유지하면서 압력 및 체적이 변화 시, 압력과 체적은 서로 반비례한다. 이것을 보일의 법칙이라 하고 이 법칙을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

 

$$P_1V_1 = P_2V_2 = 일정$$

 

 

 

(2) 샤를의 법칙

기체의 압력을 일정하게 유지하면서 체적 및 온도가 변화 시, 체적과 온도는 서로 비례한다. 이것을 샤를의 법칙이라고 하고 이 법칙을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

 

$$\frac{T_1}{T_2} = \frac{V_1}{V_2} = 일정$$

 

 

 

(3) 보일, 샤를 법칙

기체의 압력, 체적, 온도 세 가지가 모두 변화할 때에는 위의 두 법칙을 하나로 모은 것이 필요해지며 이것을 보일, 샤를 법칙이라고 한다.

즉, 일정량 기체의 체적은 압력에 반비례하고 절대온도에 비례한다는 것을 의미하며, 이것을 식으로 나타내면 다음과 같다.

 

$$\frac{P_1V_1}{T_1} = \frac{P_2V_2}{T_2} = 일정$$

$$PV = GRT$$

 

 

 

1.2.3 파스칼(Pascal)의 원리(압력의 전달)

밀폐된 용기 속에 정지 유체의 일부에 가해지는 압력은 유체의 모든 부분에 동일한 힘으로 동시에 전달된다. 이것을 파스칼의 원리라고 하는데 이것을 정리하면 다음과 같다.

 

1. 경계를 이루고 있는 어떤 표면 위에 정지하고 있는 유체의 압력은 그 표면에 수직으로 작용한다.

2. 정지 유체 내의 점에 작용하는 압력의 크기는 모든 방향으로 같게 작용한다.

3. 정지하고 있는 유체 중의 압력은 그 무게가 무시될 수 있으면, 그 유체 내의 어디서나 같다.