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[이론강좌 22] 다이빙물리/압력,기체운동이론
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압력은 단위면적당 작용하는 힘으로 정의되는데 대개 다이버에게는 무게로 표현된다. 따라서 압력은 단위면적당 작용하는 무게로 측정할 수 있다. 다이버에게 있어 압력은 다이버를 누르는 물과 대기의 무게에서 비롯된다.
오랜 전에 이탈리아의 과학자 보일은 관 내부의 수은기둥의 높이(760mm)를 대기압(atmospheric pressure)이라고 정의했다. 이것은 종종 압력의 다위로 mm HG를 쓰는 이유이다. (HG는 수은의 화학적 기호이며 mmHG로 표시된 압력은 주어진 값과 같은 높이의 수은의 무게 또는 힘이 같다는 것을 의미한다.)
1기압(절대압 : 1atm)의 압력은 다음과 같이 정의할 수 있다. 760mm HG 해수 10.1 m(msw), 33 feet(fsw) 담수 10.3 feet(mfw), 34 feet(ffw) 14.7 psi(pounds per square inch) 1.01 bar
다이버들이 물 속으로 하강할 때 다이버는 자신 위에 있는 공기와 물의 무게에 의한 힘을 받는다. 이 힘을 면적으로 나눈 것, 즉 단위면적당의 힘을 압력이라 한다. 압력은 보통 평방인치당의 파운드(lb/in2)로 표시한다. 수심이 깊어짐에 따라 압력이 어떻게 변하는 지, 또 인체에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보자.
지구 주위의 공기, 즉 대기의 무게는 평방인치당 약 14.7파운드(1.01 bar)이다. 이것은 1평방인치(1인치 x 1인치)당 지표에서 대기 바깥쪽 끝까지의 공기기둥의 무게가 14.7파운드(1.01 bar)라는 것을 의미하고, 이 일정한 힘을 “1기압”이라고 한다. 대기의 압력은 인체에 항상 작용하고 있지만, 우리는 대부분의 경우 그 영향을 전혀 느끼지 못한다.
그 이유는 두 가지로서, 첫 째 인체는 주로 유체로 이루어 져 있는데 그것이 비압축성이기 때문이며, 또 다른 이유는 폐나 공동 등과 같이 체내에 공기가 들어 있는 부분들이 열려 있기 때문이다. 이러한 공간들의 내부가 주위 압력과 같을 때는 대기의 영향을 전혀 느끼지 못하게 된다.
즉 우리 몸은 주위 압력과 “평형을 이루었다”고 말할 수 있다. 이것은 모든 다이버들이 이해해야 할 대단히 중요한 개념이다.
한편 대기의 압력은 고도에 따라 감소한다. 높은산 에 있는 호수에서 잠수하려 할 때 그곳의 낮은 대기압이 다이버에게 어떤 영향을 미치는 가를 배우게 될 것이다. 해수의 무게는 1입방피트당 64파운드(1.025킬로그램/리터)이다. 그리고 1평방피트의 물기둥을 수직으로 계속 쌓아서 33피트(10미터)의 높이가 되면 그 물 기둥의 무게는 14.7파운드(1.033 kg/cm2)가 된다.
이것은 대기가 해수면에 작용하는 압력 과 같은 값이다. 그러므로 해수 33피트는 1기압과 같으며, 담수는 해수에 비해서 밀도가 작기 때문에 34피트(10.3미터)가 1기압이 된다.
물은 원칙적으로 비압축성이기 때문에 압력을 그대로 전달하고, 물의 압력은 일정한 비율로 증가하여 그 효과가 누적이 된다. 간단하게 이야기하면, 해수 33피트(10미터)의 물은 1기압과 같고, 66피트(20미터)는 2기압과 같으며, 99피트(30미터)는 3기압이 된다.
잠수를 할 때 다이버는 물과 그 위의 대기압력을 함께 받게 된다. 즉 해수면에서는 1기압의 공기압력을 받으므로, 해수 33피트(10미터)에 서는 대기압 1기압과 물로부터 받는 1기압을 더하여 합계 2기압을 받게 되고, 해수 66피 트(20미터)에서는 3기압의 압력을 받게 된다.
그리고 담수에서는 34피트(10.3미터)에서 2 기압이 된다. 이와 같이 압력의 변화를 계산할 때는 항상 대기압력을 고려해야만 한다. 해수면에서는 대기의 압력이 거의 일정하기 때문에 대부분의 압력계들은 해수면에서 영이 되도록 조정되어 있다. 수심계가 33피트(10미터)를 나타낼 때는 압력이 수면에서보다 1기 압이 더 크다는 것을 말하는 것이다.
계기로 측정한 압력을 “계기압력”이라고 하는데, 그 것은 대기의 압력을 포함시키지 않은 것이기 때문에 실제의 총 압력이 아니다. 계기압력 에 대기의 압력을 더한 값을 “절대압력”이라고 하고, 이것이 수심을 결정할 때 사용되는 압력이다.
수면에서 잠수하여 33피트(10미터)의 수심으로 내려가면, 인체에 미치는 압력 은 두 배가 된다. 반대로 66피트(20미터)의 수심에서 수면으로 올라오면 압력은 3분의 1 로 줄어든다. 절대압력은 항상 물에 의한 압력보다 1기압이 더 크고, 대기의 압력이 포함 되어야 한다는 것을 반드시 기억해야 한다.
그리고 어느 수심에서의 압력을 어떻게 계산 하는 가에 대해서도 알아두는 것이 좋다. 해수에서는 1피트당 0.445 p.s.i.(0.03 bar)씩, 담수에서는 1피트당 0.432 p.s.i.(0.029 bar)씩 압력이 증가한다는 것을 알고 있으면 이 값을 피트 단위로 측정한 수심에 곱한 후, 그것에 14.7 p.s.i.(대기압의 평균값)를 더하 면 해수나 담수 어느 수심에서도 압력을 쉽게 계산할 수 있다.
예를 들어, 해수 100피트 (30미터)의 수심에서는 계기압력이 44.5 p.s.i.(3.07 bar)이므로 여기에 대기의 압력 14.7 p.s.i.(1.01 bar)를 더하면 절대압력 59.2 p.s.i.(4.08 bar)를 구할 수 있다.
수심계는 수심을 측정하는 것이 아니라 압력을 측정하는 계기이다. 수심계 내부의 기계적인 장치는 압력을 감지해 같은 압력의 수심을 외부에 눈금으로 표시하는 것이다. 따라서 적합한 사용환경에 따라 보정된 경우일때만 정확한 측정이 가능하다. 그러나 고지대처럼 변화된 환경하에서 수심계에 측정된 수심은 실제 수심과는 달라지게 된다. 이런 문제는 해수면을 기준으로 보정된 수심계를 고지대에서 사용했을 경우에 종종 발생한다.
만약 해수면 이상의 고도에서 다이빙하는 경우에 해수면을 기준으로한 수심계를 그대로 사용하기 위해서는 이 고도에서 읽혀진 수심에 일정한 보정치(일반적으로 10피트 증가시마다)를 더해주어야 한다. 따라서 실제수심은 해수면을 기준으로한 수심계를 판도 후 보정요소를 더함으로써 판단할 수 있다.
수심계는 압력을 측정하는 도구이지 수심을 측정하는 도구가 아니라는 것을 명심한다. 수심계 상에 표시된 수심은 그 수심계가 측정하도록 설계된 환경에 한해서만 실제적인 수심을 표시한다.
다음은 해수면을 기준으로한 테이블을 사용하기 위하여 해수면과 상응하는 수심을 얻는 방법에 대한 물리학적인 의견이다. 고도에서의 사용을 목적으로 제작된 테이블이나 컴퓨터를 사용하는 것이 이러한 변환을 이용한 계산보다 훨씬 바람직하다.
감압 테이블은 실제적인 수심이 아닌 압력의 비를 기본으로 만들어졌다. 따라서 다이버는 고도가 변했을 경우 감압 테이블의 사용과 절차에 주의를 기울여야 한다. 일반적으로 고도다이빙용이 아니라면 우리가 사용하는 다이브 테이블이나 컴퓨터는 해수면을 기준으로 사용하도록 만들어져 있다.
감압절차는 사람의 조직에 상해가 없는 범위내에서 이론적인 최대 압력비를 기준으로 하고 있다. 이 압력은 다이버의 수심과 사용된 수학계산법의 종류에 따라 다양하게 변화한다. 여기서 중요한 것은 감압의무는 실제수심에 의해서가 아니라 조절하기 위한 압력차(pressure different ; 현재의 압력과 상승시 도달하는 어떤 얕은 수심에서의 압력과의 비율)에 의해 조절된다는 사실이다.
따라서 해수면을 기준으로 계산된 테이블에 어떤 고도에서 계기압으로 측정된 수심을 그대로 적용하게 되면 수중에서 지나치게 늘어난 잠수시간을 허용하게되어 감압병의 위험성이 증가한다. 이것은 테이블 상에서 다이버가 잠수한 수심을 지나치게 낮추어 계산되기 때문이다.
최종적으로 상승속도는 감압 계산의 일부이다. 예전에 미해군 다이브 테이블의 상승속도는 분당 60피트 였는데 새로운 다이브 테이블은 분당 30피트(9미터)를 사용한다. 이런 상승속도는 감압계획을 세우기 위한 계산의 일부이다.
고도에서의 실제적인 1기압은 해수면에서의 33fsw보다 적기 때문에 이런 고도의 호수에서 다이빙시에는 해수면에서와 같은 압력차이를 주어진 시간동안에 유지하기 위해 더 느린 상승속도를 사용해야 한다.
고도 다이빙에서는 해수면을 기준으로 한 감압 계획이 부적절하다는 것을 기억해야 한다. 고도 (1,000피트 또는 300미터 이상)에서 다이빙 시에는 위의 기술들을 이용해 수심을 보정한 고도 다이빙용 테이블(스위스, DCIEM 또는 BSAC 테이블)을 사용하던가 또는 고도 다이빙용으로 보정된 다이브 컴퓨터를 사용한다.
또한 고도 다이빙에서 일반적으로 다이브 테이블을 사용하기 위해 고도에서의 수심을 보정해주는 계산기를 사용해도 된다. 사실 위의 방법들은 이론적이며 광범위한 실제적인 증명을 통해 나온 것은 아니다.
그러나 더 자세한 사람에 대해서는 이 책의 고도 다이빙에서 자세히 다루도록 하며, 만약 고도 다이빙을 하고 싶은 사람이 있다면 본 교의 특별한 교육과 과정이 필요하다는 것을 잊지 않도록 한다.
여러 화학적 조성의 차이에도 불구하고 모든 기체들은 조성의 물리적 변화나 온도, 압력에 대한 반응이 유사하다. 초기의 과학자들은 이런 물리적인 반응의 통일성에 대해 많은 관심을 가졌다. 이런 물질의 특성은 물질을 구성하고 있는 입자들의 특성을 반영한다는 사실은 과학적 정설의 하나이다.
모든 물질을 구성하고 있는 작은 입자(원자)의 운동은 기체, 액체, 고체 내에서 차이점을 보인다. 이런한 가정은 기체 운동론(Kinetic Theory of Gases)의 한 부분이다. (Kinetic은 그리이스어의 운동에서 따온 말이다.)
온도와 압력, 부피의 관계에 대해서는 이미 광범위하게 연구가 이루어졌다. 1787년 프랑스의 과학자인 쟈크 샤를은 일정한 압력하에서 온도와 부피의 관계에 대해 연구했다. 샤를의 이 실험은 열기구가 어썰게 작동하는 가를 이해하기 위한 노력하에 이루어졌다.
여기서 그는 온도가 섭씨 0도에 근접했을 때 기체의 부피는 1도 감소할 때마다 1/273로 감소한다는 것을 알았다. 만약 이론적으로 이렇게 온도가 계속 감소하게 되면 섭씨 영하 273도가 되면 부피는 0이 될 것이다. 이것을 절대 영도(Absolute Zero)라 한다(만약 기체의 부피가 0라면 이것은 부자의 운동이 없다는 것이며 결국 운동에너지가 없다는 뜻이다. ).
이렇게 절대 영도를 기준으로 특정된 온도를 절대온도(Absolute Temperture)라 한다. (기체는 절대영도에 도달하기 전에 액화되므로 실제적으로 “제로부피”상태는 얻을 수 없다.) 절대온도의 눈금이 1도씩 변할 때마다 부피는 1/273씩 변하므로 절대온도는 압력, 온도, 부피의 예상변화를 묘사하는 “기체의 법칙”에 사용된다.
샤를의 법칙은 압력이 일정할 때 기체의 부피는 절대온도에 비례한다는 것이다.
19세기를 들어설 무렵에 게이-뤼삭은 부피가 일정할 때 압력과 온도의 관계에 대해 연구하기 시작했다. 그는 기체를 채우고 부피를 고정시킨 원구를 측정용 도구로 사용해서 온도상승에 따른 압력변화를 측정했다.
이 연구 결과에 따르면 부피가 일정할 때 압력은 절대온도에 비례한다.
스쿠바 탱크는 일정한 부피를 가진 장비이다. 만일 외부의 온도가 상승하게 되면 분자의 운동이 빨라져 운동에너지가 증가하게 되면 분자는 용기의 벽에 더 세게, 자주 부딪치게 된다.
이것은 온도가 증가하면 탱크내부의 압력이 증가함을 의미하고 따라서 압력의 증가는 탱크의 온도상승을 일으킨다. 따라서 탱크 압력의 증가를 막기 위해서는 충전된 탱크는 서늘한 곳에서 보관해야 한다.
1662년 로버트 보일경은 저서 “공기의 탄성과 그 효과”를 출판하면서 온도가 일정할 때 압력과 부피의 관계를 설명했다. 먼저 그는 수은으로 채워진 끝부분이 작은 J자 형의 관에 포집되어 있는 공기의 부피를 측정했다.
여기서 수은의 양을 증가시키면 내부의 공기부피는 감소하게 된다. 그래서 보일은 압력과 부피의 곱이 항상 일정하다는 것을 알게됐다.
보일의 법칙은 온도가 일정할 때 압력과 부피의 반비례관계를 나타낸다. 당연한 결과로 이 법칙에 따라 밀도(질량/부피)는 압력이 증가하면 같이 증가하게 된다.
압력이 증가할수록 부피는 감소한다는 것을 기억하라. 호흡은 기본적으로 일정한 부피를 기본으로 이루어지므로 깊이 들어가면 갈수록 사용 가능한 공기양은 줄어들게 된다. 따라서 탱크의 공기를 더 빨리 소모하게 된다. 마찬가지로 압력이 감소하게 되면 (상승시) 폐와 그 밖에 공기공간 내부의 기체의 부피는 증가하게 된다.
그러나 폐, 귀, 공동 등과 같은 신체 공기공간의 물리적인 크기는 제한적이므로 팽창된 공기는 적절히 개방시켜 방출시키거나 또는 그렇지 못한 경우에는 심각한 상해나 조직의 파괴를 일으킬 수 있다.
이것은 풍선껌을 터지기 전까지 불어 팽팽하게 만드는 것과 같은 이치이다. 단위 압력당 가장 부피변화가 큰 것은 수면 근처에서이며 결국 이것은 수면 가까이에서 압력-부피와 관련된 상해(공기색전증)의 위험성이 가장 크다는 것을 의미한다.
1810년에 영국의 화학자인 존 달톤(John Dalton)은 윌리업 헨리(William Henry)와 함께 기체의 혼합시에 얻어지는 압력에 관해 연구했다. 그는 기체가 혼합되어 있다해도 각 기체는 각각의 혼합전의 특성을 그대로 나타낸다는 결론을 얻었다.
따라서 밀폐된 공간의 총압력은 각각의 혼합물들을 압력을 더한것과 같다. 각각의 조성물에 의한 압력을 부분압(partial pressure)이라 한다
수심이 깊어질수록 질소의 부분압이 높아지는 것은 다이버의 체내에 질소가 축적되는 이유의 하나이다. 질소는 생리적으로 불활성(대사작용에 의해 소비되지 않음)이므로 질소의 축적은 다이버에게 해로울 수 있다.
기체가 액체를 만나게 되면 그 기체는 액체에 녹아들게 된다. 기체의 분자들은 용해상태로부터 기체 상태로 나오기도 하며 그 반대로 기체상태로부터 용해되는 등 계속적으로 운동한다.
물론 기체 개개의 분자의 행동을 예측하는 것은 불가능하지만 전체적으로는 부분압 하에서 액체내부로 이동하는 기체의 분자수와 기체상태로 방출되는 분자수는 균형을 이룬다. 기체의 부분압이 증가하면 용해되려는 성질의 증가로 보다 많은 기체분자가 용해된다. 이때 온도가 낮아지면 더 많은 양의 기체가 녹아들어 가게된다.
헨리의 법칙이 균형상태에 이르렀을 때 용해된 기체의 양에 관한 것임을 기억하는 것은 중요하다.
신체 조직내의 질소의 용해는 헨리의 법칙에 따라 짐작 할 수 있다. 다이빙하는 수심이 깊어지면 깊어질수록 질소의 부분압은 높아지고, 조직에는 더 많은 양의 기체가 녹아 들어가게 된다.
상승시에는 기체의 분압이 감소하게 된다. 이때 기체는 액체에서 빠져나가 균형을 이루려 한다. 만약 기체의 배출이 조직이 견뎌낼 수 없을 정도로 빠르게 진행되면 감압병에 걸리게 된다.
NAUI Course Director NAUI Nitrox diving Instructor ASHI CPR Instructor 김승규
팀 드레이크/team DRAKE
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