[소방유체역학] 정수역학-02.압력

 

 

압력 (pressure) 

 

압력(壓力, pressure)은 단위 면적당 가해지는 힘을 말합니다. 보통 소문자 p 로 나타냅니다. 압력을 표현하는 단위는 여러가지가 있습니다. 모든 표현법은 단위면적당 가해지는 힘을 기본으로 나타냅니다. 

SI 단위계에 따른 힘의 단위는 뉴턴(기호: N) 입니다. 뉴턴이란 이름은 고전역학에서 큰 업적을 세운 아이작 뉴턴(Sir Isaac Newton)을 기념하기 위해서 따왔습니다. 뉴턴은 1kg의 질량을 갖는 물체를 매초 제곱분의 1 미터(=1m/s2)만큼 가속시키는 데에 필요한 힘으로 정의됩니다. 이 개념은 매우 중요해서 이후 거의 모든 계산에서 활용됩니다. 

 

 

두 물체가 중력으로 끌어당기는 힘이 무게로 정의되기 때문에, 뉴턴은 무게의 단위이기도 합니다. 중력 가속도(重力加速度, gravitational acceleration)는 물리학에서 중력에 의해 운동하는 물체가 지니는 가속도를 의미합니다. 좁은 의미로는 지구의 중력에 대한 중력 가속도를 의미합니다. 기호로는 흔히 g로 나타냅니다. 지구 지오이드(geoid)를 기준으로 한 표준 중력가속도 값은 9.80665 m/s²입니다. 지구상에서 무게는 질량에 중력가속도를 곱한 값이 됩니다. 따라서 1kg의 질량은 지구 표면에서 9.80665 N의 무게를 갖게 됩니다. 

 

 

예를 들어 면적을 A[m2], 면적에 가해지는 힘을 F[N]라고 하면 압력 p는 다음과 같이 쓸 수 있습니다. 

 

 

단위면적에 작용하는 힘

 

 

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여기서 압력의 단위는 [N/m2]이 되고 이를 파스칼[pa]이라고 정의합니다. 즉 1.0[N/m2]=1.0[pa]가 됩니다. 이 식에 의해 가해지는 힘이 일정할 때 면적이 두배가 되면 압력은 2분의 1이 되는 것을 알 수 있습니다. 

다음으로 유체안의 물체에 작용하는 압력을 확인해 보겠습니다. 

액체의 표면거리 h[m]인 곳의 윗면의 면적이 A[m2]인 물체가 있을 때 물체 윗면의 상부에 있는 유체의 체적은 hA[m3]이 됩니다. 체적 hA[m3]에 해당하는 유체의 밀도를 ρ[kg/m3]라고 할때, 체적 hA[m3]에 해당하는 유체의 무게는 ρghA[N]이므로 물체의 윗면이 받는 압력 p[pa]는 다음식과 같이 됩니다. 

 

 

유체 안의 물체에 작용하는 힘

 

 

대기압의 구분

- 국소 대기압 : 특정위치, 조건에 따라 변동.

- 표준 대기압 : 표준 중력 가속도 하의 0℃에서 수은주의 높이가 760mm인 압력.

 

 

 

표준 대기압

길이가 1m인 유리관에 수은을 가득 넣고, 막히지 않은 위쪽을 손으로 막아 관 속에 공기가 들어가지 않도록 주의하면서, 용기를 거꾸로 세운다. 이때 유리관 속의 수은면이 내려와서 일정한 높이(약 760㎜)에서 멎는다. 이것은 관 속의 수은주가 대기압에 의해 받쳐져 있기 때문이다. 이때 관의 위쪽에는 미량의 수은 증기 외에는 아무것도 존재하지 않는 진공이 생긴다. 이것을 토리첼리의 진공이라고 한다. 대기가 높이 약 760㎜의 수은주가 미치는 압력과 같은 압력을 유리관 속의 수은면에 미치고 있다는 것을 알 수 있다.
1atm = 760mmHg = 10.33m(H2O) = 14.7psi = 101325Pa  = 1.01325bar

 

 

절대압, 계기압, 진공압과의 관계

 

A  지점의 경우 진공도 0%인 국소대기압보다 압력이 크기 때문에, 절대압력은 국소대기압에서 압력게이지에서 측정된 게이지압력을 더해준 값이 됩니다.
반면에  B 지점의 경우 진공도 0%인 국소대기압보다 압력이 작기 때문에, 절대압력은 국소대기압에서 진공압력을 빼 준 값이 됩니다.