잠수 물리학

잠수 물리학

 

1.  보일(Boyle)의 법칙

 

보일의 법칙에 의하면 일정한 온도 하에서 기체의 부피는 절대압에 반비례하고 그 밀도는 정비례한다. 즉 외부 압력이 2배로 되면 기체의 부피는 반으로 줄고 그 기체의 밀도는 2배로 된다.

예를 들어 육상에서 10ℓ의 공기를 넣은 고무풍선을 바다 수심 10m의 물 속으로 가지고 내려가면 외부수압(절대압) 이 2대기압이 되므로 그 풍선의 부피는 5ℓ가 되고 풍선 안의 공기 밀도는 2배로 된다. 또 20m의 수심으로 내려가면 부피는 3 1/3(3과 3분의1)ℓ 가 되며 밀도는 3배로 증가한다. 이와 반대로 수심 10m에서 5ℓ의 공기를 채운 풍선을 육상으로 가지고 올라가면 풍선은 10ℓ의 부피로 커지면 밀도는 반으로 줄어든다.

이 같은 원리에 의하여 똑 같은 공기 량을 가지고 잠수하여도 수심이 깊어질수록 공기는 빨리 소모된다.

 

 

2. 샤를(Chales)의 법칙

 

샤르의 법칙에 의하면 압력이 일정할 때 기체의 부피는 절대온도에 비례한다. 바꾸어 말하면 부피가 일정할 때 절대온도가 올라가면 그 기체의 압력은 정비례하여 올라간다(게이루삭(Guy-Lussac)의 법칙), 이 법칙을 식으로 나타내면 다음과 같다.

P1/p2 = T1/T2 (부피가 일정할 때)

 

P1 = 처음 압력(절대압)

P2 = 나중 압력(절대압)

T1 = 처음 절대 온도(절대온도 = 섭씨 + 273)

T2 = 나중 절대 온도

예를 들어 잠수용 공기통 속에 200kg/㎠의 절대 압력으로 공기를 충전하였고 이 때 온도가 40℃였다고 하자. 이 공기통을 가지고 수온이 20℃인 물 속으로 잠수한다면 이 공기통 속의 절대 압력은 어떻게 변하는가?

 

위의 식을 사용하면 : 200kg/㎠/P2(P2분의200kg/㎠) = 40℃+273/20℃+273 ∴P2 ≒ 187.2kg/㎠

 

온도의 차이로 공기통 속의 압력은 187.2kg/㎠으로 줄어들게 된다. 즉, 이 경우 1℃ 변화에 따라 압력은 약 0.65kg/㎠씩 변화 한 것을 볼 수 있다.

 

 

 

3. 달톤(Dalton)의 부분압

 

달톤의 법칙에 의하면 혼합치게 내에서 어떤 기체의 부분압은 그 기체가 혼합기체 내에서 차지하고 있는 부피에 비례한다. 즉 구성기체들의 부분압의 합계가 혼합기체의 압력이 된다.

예를 들어 1대기압의 공기가 산소 21%, 질소79%로 구성되어 있다고 할 때, 산소의 부분압은 0.21대기압이고 질소의 부분압은 0.79대기압이 되는 것이다.

또 이 공기를 5대기압으로 압축하면 그 안의 산소의 부분압은 1.05대기압(0.21×5)이 되고 질소의 부분압은 3.95대기압(0.79×5)이 된다.

수중에서는 다이버가 압축된 공기를 마시기 때문에 수심이 깊어질수록 보다 높은 부분압의 산소를 호흡하게 되는 것이다.

 

 

 

 

4. 헨리(Henry)의 법칙

 

헨리의 법칙에 의하면 일정한 온도하에서 액체에 녹아 들어가는 기체의 양은 그 기체의 부분압에 비례한다.

인체는 대부분이 액체로 되어 있기 때문에 2대기압에서 숨을 쉬면 1대기압하에서 보다 2배 많은 기체가 우리 몸 속에 녹아 들어가게 된다. 액체 내 기체의 부분압이 액체밖의 부분압과 같아지면 기체는 더 이상 녹아 들어가지 못하며 이때, 그 액체는 포화되었다고 말한다. 만약 5대기압 하에서 포화된 용액을 1대기압 이하로 갑자기 옮겨 놓으면 용액 안에 기포가 생기면서 녹아 들어있던 기체가 밖으로 나오게 된다.

 

 

5. 아르키메데스의 원리

물에 일부 또는 전부 잠겨있는 물체는 상승한 물 높이만큼의 물 무게와 같은 힘에 의해 부력을 갖는다. 이 원리에 의하면 다음과 같은 생각을 할 수 있습니다.

 

즉, 한 다이버의 체중이 넘친 물보다 무거울 경우에는 가라앉게 되며, 가벼울 경우에는 반대로 뜨게 된다. 다이버의 체중이 정확히 뜨거나 가라앉는 무게의 사이에 있다면 중성부력을 갖고 있다고 말한다. 바꾸어 말하면 기본적으로 부력은 한 물체의 밀도와 관련이 있다.

 

밀도=질량/부피 이며 여기서 질량은 물질의 무게, 부피는 그 물질이 차지하는 공간을 뜻한다.

 

다이버에게 있어 질량(무게)의 변화를 가져오기는 어렵기 때문에 부피를 계속해서 변화시켜 부력을 조절해야 한다. 여러분은 우주비행사들처럼 우주에 나가지 않아도 무중력상태를 경험할 수 있다.

 

밀도=질량/부피 이므로 질량이 일정할 때 부피가 감소하면 밀도는 상승하고 부피가 증가하면 밀도는 감소한다. 중성부력을 갖기 위해서는 다이버는 계속해서 자신의 밀도를 조절함으로써 부력을 조절해야만 합니다.

 

다이버가 수중으로 하강할 때는 부력조절장치 안의 공기부피가 작아지게 되는데 이것은 물의 무게와 대기압에 의해 발생한다. 잃었던 부피를 다시 회복하기 위해서는 부력조절기에 공기가 주입되어야만 한다.

 

다이버가 상승할 때는 반대 현상이 잃어나는데 줄어드는 수압은 부력 조절기 안의 공기를 팽창시켜 부피가 커지게 합니다. 그러면 다이버는 자신의 위치를 유지하는데 필요한 공기를 제외하고는 제거시킬 수 있다.