엉터리 다이빙

액체를 들여다 보면 그 액체의 분자들 사이로 기체가 들어갈 자리는 없어 보인다.

그러나 기체는 액체 속으로 들어갈 수 있다.

이것을 "용해"라고 부른다.

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┃아마 당신은 얼음 담긴 잔에 소다수를 부어 본 경험이 많아서

┃액체 속에도 기체가 있다는 사실을 금방 알아 차릴 수도 있을 것이다.

┃소다수에 거품이 일어나는 것은 액체로부터 이산화탄소가 탈출해 나오는 현상이다.

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┃기체는 용해상태에선 눈에 보이지 않지만 무엇인가가 작용해서 자극을 주면 틔어 나온다.

┃여기서 또 다른 하나의 중요한 개념이 등장하는데,

┃그것은 기체는 액체에 용해되어 있으면서도 압력을 발휘한다는 것이다.

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이것을 전문가들은 기체의 장력(gas tension)이라고 부르지만,

우리는 내부압력(internal pressure)이라고 부르는 것이 편하다.
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┃맥주와 관련시켜 말해보자.

┃왜 맥주는 병마개를 새로 땄을때 첫 잔이 맛이 더 좋은가?

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┃그 이유는 마개를 새로 땄을 때 맥주 속에는 가장 많은 이산화탄소가 용해되어 있기 때문이다.

┃마개를 열어두고 시간이 오래 지나면 이산화탄소가 다 빠져나와 맥주 맛은 밋밋해지는 것이다.

┃이 말을 바꾸어 말하면 맥주는 액체속의 내부압력이 하강하면 맛이 떨어지는 것이다.

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또 하나 더 알아야 할 중요한 내용은

기체가 액체에 용해되는 정도는 압력과 온도에 영향을 받는다는 사실이다.

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┃우주선을 가상해 보자.

┃한 방 안에 물을 담은 컵이 있고 이 방은 문이 열려 있다.

┃즉 완벽한 우주의 진공상태에 놓여 있다.

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┃이 때 물 속에는 기체가 용해되어 있지 않다.

┃그러나 방문을 닫고 공기를 집어 넣으면(압력을 가하면)

┃컵의 물에도 기체(공기의 성분이 되는 기체들)가 용해되어 들어간다.

┃그리고 그 기체는 내부 압력을 가지게 된다.

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위 내부압력이란 것도 요술법칙에 지배를 받는다.

구성 기체들이 각각 자신의 부분압만을 발휘한다는 것이다.

기체의 용해는 액체속의 내부압력이 물을 누르고 있는 외부의 압력과 동등해질 때 까지 계속된다.

그러나 그 시간은 상당히 길기 때문에 균형이 이루어질 때까지 기다리려면 책이라도 읽고 있어야 한다.

액체 속에 용해되어 있는 기체의 압력과 물 표면에 닿아있는 공기의 압력이 동일하지 않고 차이가 있을 때 이 차이를 압력 기울기(pressure gradient)라고 부른다.

이 압력기울기가 클 때는 액체 속으로 기체가 용해되는 속도가 빠르다.

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┃지하철 차량 안이 비어있을 때 사람들이 빠른 속도로 들어갈 수 있는 것과 같다.

┃그러나 기체의 분자들이 계속 물에 용해되고 있으면 압력기울기는 작아진다

┃(차량 속에 사람이 많이 들어가 있을수록 다음 사람이 들어가는 속도는 느려진다).

┃분자(승객)들이 물에 용해되는 속도가 느려지는 것이다.

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시간이 지나면 액체 속의 기체장력은 물과 접촉해 있는 공기의 압력과 동일해 진다.

액체와 공기 사이에 분자들이 들락날락하지만 실질적으로 넘어가는 분자는 없게 된다.

이 때를 기체가 물에 포화(saturate)되었다고 말한다.

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┃다시 우주선으로 돌아가자.

┃방에 공기를 가압시키면 방에 들어간 공기의 압력 만큼(물에 닿아있는 공기의 압력만큼)

┃기체의 내부압력이 증가하여 나중에는 균형상태인 포화상태가 이루어진다.

┃이제 방의 공기를 빼기 시작했다고 하자.

┃아니 방에 공기가 하나도 없이 다 빠져 나갔다.

┃이 때 물에 용해된 기체들도 탈출하기를 원한다.

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물이 가두어 둘 능력 이상으로 기체를 간직하고 있는 상태인데,

이 때를 과포화(supersaturation)라고 부른다.

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┃이 때부터 기체는 내부압력이 공기의 압력과 동일해질 때 까지(진공환경이라면 제로가 될 때 까지)

┃물로부터 탈출해 나온다.

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┃공기의 압력을 서서히 낮추면, 그리고 컵을 흔들지 않거나 물에 이물질 입자가 없으면

┃기체가 물에서 빠져 나오는 것은 눈에 보이지 않는다.

┃즉 기체방울이 형성되지 않는다.

┃그러나 가압중인 공기 압력을 급히 해소시키면(또는 물을 세차게 흔들거나 이물질 입자를 넣으면)

┃기체는 빠른 속도로 탈출하여 소다수 병을 흔들었을 때 처럼

┃기체의 분자들이 뭉쳐 눈에 보이는 거품을 형성시킨다.

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(이것이 무엇을 의미하는지 아시나요?)

그러나 위 드라마에는 압력 말고 또 다른 주인공이 있다.

그것은 온도이다.

열은 액체의 분자운동을 증폭시킨다.

액체의 분자들이 강하게 날뛰므로 기체의 분자들이 들어갈 틈이 좁아진다.

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┃물을 끊일 때 물 속에 공기방울이 생기는 것은 바로 이 현상 때문이다.

┃냄비의 뜨거운 바닥에서 작은 공기방울들이 생기는것은

┃속도가 빨라진 액체 분자들의 운동이 물에 용해되어 있는 기체를 몰아내기 때문이다.
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┃이제 알 수 있는 것은 찬 액체는 기체가 더 많이 용해될 수 있다는 사실이다.

┃찬 액체의 분자들은 느리게 운동하므로 기체가 들어갈 자리가 넓어지는 것이다.

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┃지하철 승객을 생각해 보자.

┃습도 높고 더운 짜증나는 날과 추운 겨울날 승객들의 행동은 어떻게 다른가?

┃더운 날엔 승객들이 옆 사람들과 거리를 멀리하려 한다.

┃그러나 추운날엔 서로 거부감이 덜 한 채 더 많은 사람들이 차량 속으로 들어갈 수 있다.

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이 현상이 우리 다이버들에게 왜 중요한지 모르겠는가?

기체는 우주선의 물컵의 예에서와 같이 우리 몸의 혈액과 조직에 용해되기 때문에 중요한 것이다.

그러나 용해되는 과정이 문제가 되는것이 압력이 약해져 기체가 빠져나올 때가 큰 문제인 것이다.

일정 조건이 갖추어지면 기체가 몸 속에서 기포를 형성시켜 감압병을 일으키기 때문이다.

그러나 물컵과 인체조직은 그 복잡성에 큰 차이가 있어서 "흔들은 소다수 병" 같은 단순한 이론으로는 감압병을 이해시키기가 어렵다.

그러나 소다수 병에 용해된 이산화탄소 든 혈액 속에 용해된 질소 든 이들이 행동하는 물리학적 원리는 동일하다.

그러나 위 두가지는 칼럼으로 다루려면 완전히 서로 다른 주제가 된다.

다만 우리는 난해한 기체의 법칙을 압착의 법칙, 트렁크의 법칙, 요술의 법칙 그리고 소다수의 법칙 이렇게 단순화시켜서 개념을 오래 유지하고 있는 것이 중요할 뿐이다.

출처: 미상