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다이버들을 위한 기본 물리와 화학 3)
james
14-01-17 17:57
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다이버들을 위한 기본 물리와 화학 3)
물질의 상태
원소와 화합물은 세 가지 상태 중에 하나로 존재하며, 1)고체, 2)액체, 3)기체, 예를 들어 물은 액체, 고체(얼음) 또는 기체(수증기)의 형태로 존재하고, 이 상태는 물질을 구성하는 분자들이 얼마나 가깝고 얼마나 고정되어 있는가에 따라 달라집니다. 물질의 상태는 압력 하에 당연한 행동을 만들어 내며, 예를 들어 기체는 압력에 맞는 비율로 압축되고 액체와 고체는 압축되지 않습니다(다이빙의 한계 안에서는)
지구상 대부분의 조건들 중에 이에 가장 큰 영향을 끼치는 것은 온도이며, 온도는 분자들의 움직임(진동)이기 때문으로 온도는 얼마나 빨리 분자들이 움직이는가의 측정도를 가리키며, 빨리 움직일수록 그 물질은 온도가 높고, 분자 활동이 줄어들면서 물질은 차가워집니다. 분자들이 고정되고 잘 정리된 패턴으로 되어있는 물질은 고체 상태이며, 온도가 높아지면서 분자들은 고정된 위치에서 빠져 나와 다른 곳으로 쉽게 움직이게 되나 비교적 같은 곳에 머무는 경향을 띠고 이것이 액체 상태를 만듭니다. 최종적으로 온도가 더욱 더 증가하게 되면 분자들은 서로 날아가게 되어 기체를 형성하게 되고, 얼음과 물, 수증기를 예로 들면 고체 상태(얼음)는 가장 차가운 조건을, 기체 상태(수증기)는 가장 뜨거운 상태를 나타냅니다.
압력 역시 상태에 영향을 미치는 조건이나 우리가 매일처럼 다루는 대부분의 물질들에서 그렇게 주된 요인이 되지는 않으며, 압력이 높을수록 물질은 액체에서 기체 상태로 되기를 저항하고 온도는 물질이 기체가 되기 전에 반드시 높아져야 하고, 이것의 흔한 예는 프로판 가스를 들 수 있는데 이는 보통 기온에서는 압축된 실린더 안에 액체 상태이나 외부의 압력이 낮기 때문에 실린더로부터 기체로 흘러나오게 되고, 다른 예는 고도에서 물을 끓이는 것으로, 고도가 높아질수록 물의 끓는점은 낮아집니다. 해수면에서 100도C인 데 반해 해발 7600미터 고도에서 물의 끓는점은 약 76도C가 됩니다.
중력, 물질 그리고 무게
중력은 모든 물체의 특성이 되며, 중력은 모든 다른 물체를 끌어당기고, 중력의 강도는 물체의 총량과 거리에 비례하게 됩니다. 보통 우리가 고려해야 할 중력은 지구의 중력인데 비록 지구의 중력이 여러분의 몸을 끌어당기듯이 여러분 신체의 중력 역시 지구를 끌어당기고, 여러분의 몸에 가해진 중력은 지구의 중력에 비해 너무도 작아서 측정하는 것조차 불가능합니다.
대기 중과 다이빙할 때 우리가 경험하는 압력은 대기 중과 수중에서 중력이 작용하기 때문으로 대기압은 여러분 위의 공기의 무게를 말하며, 수압은 여러분 위의 물의 무게입니다. 여러분이 깊이 들어가면 갈수록 더 많은 물이 여러분 위에서 중력에 의해 아래로 당겨지게 되므로 더 큰 압력을 느끼는 것입니다. 그러나 우리가 달을 고려할 때 중력의 양방통행은 더욱 눈에 띄게 되며, 지구의 인력은 달을 그 궤도 안에 머물게 하나 달의 인력은 대양을 들어 올릴 만큼 강도가 있어 조석간만의 차를 만들어냅니다.
질량은 물체를 측정하는 단위로, 여러분이 만약 물리학자라면 질량을 물체의 관성에 기초하여 결정되는 것이라고 이야기할 것이나, 일반적으로 우리는 질량을 질량에 작용하는 중력을 측정하는 측정치인 무게로 표현하며, 이 차이를 이해하기 위해서 지구에서 60킬로그램 나가는 물체를 달에 가지고 간다고 가정해 보면, 달에서 이 물체는 10킬로그램이 나가며, 질량에는 변함이 없으나 무게에는 달의 인력이 약해진 관계로 변화가 있습니다. 우리가 다른 행성으로 다이빙을 갈 때까지 우리는 지구의 중력만을 생각하면 되고, 이런 이유로 비록 같은 것이 아니나 우리는 다이빙 적용에 있어서 질량과 무게를 서로 호환하여 사용할 수 있습니다.
에너지
아시다시피 에너지는 일할 수 있는 능력을 말하며, 그러면 일이란 무엇일까? 일은 거리를 통한 힘의 적용을 말합니다. 미터식 시스템에서 우리는 힘을 에르그(ergs)와 줄(joules)을 이용하여 측정하고, 에르그는 중력(중력 가속력)에 반하여 1그램을 1센티미터 움직이는데 필요한 일의 양을 말하며, 1줄은 107에르그에 해당하고, 피트식 시스템에서는 에너지를 푸트-파운드(foot-pounds)로 측정하며, 푸트-파운드는 1파운드의 무게의 물체를 1피트 들어 올리는 일의 양을 말하고, 1줄은 대략 0.7375 푸트-파운드와 동등합니다.
에너지는 핵반응에서 물질로 바뀔 수 있으나 물질과 마찬가지로 만들어지거나 파괴될 수 없고, 다이빙에서 우리는 에너지의 다섯 가지 형태 중의 하나로 변형되는 것을 생각하면 됩니다. 1)열, 2)빛, 3)전기, 4)화학, 5)역학 에너지.
1) 열은 그 물질을 구성하는 분자와 원자의 움직임이며, 더 많은 움직임이 있을수록 열 에너지는 더 많아지고 그 반대도 마찬가지이고, 모든 에너지는 결국 열로 바뀝니다. 하나에서 다른 것으로 에너지를 전환시키는 과정, 예를 들어 전기 에너지가 빛 에너지로 바뀌는 카메라의 플래쉬는 항상 에너지의 일부가 열로 분산되게 됩니다.
2) 빛은 전자복사기의 한 형태이며, 최고의 예는 태양으로부터 오는 열 에너지가 되겠고, 에너지 변형의 예는 빛 에너지를 바꾸어 화학 에너지로 저장하는 식물의 광합성을 들 수 있습니다.
3) 전기 에너지는 음성 대전된 전자와 양성 대전된 양성자의 상호작용에서 발생하며, 배터리가 좋은 예이고, 배터리는 플래쉬처럼 잠재적인 전기 에너지를 하나의 장치에 이용할 때까지 저장합니다.
4) 화학 에너지는 물질의 분자 구조에 축적되어 있고, 이것의 흔한 예는 가솔린입니다. 가솔린이 결정적인 온도에 도달했을 때 산소와 반응하여 열 에너지를 발산하게 하는 화학 반응을 일으킵니다.
5) 역학 에너지는 움직임으로부터 또는 움직임의 가능성으로부터 발생하고, 이는 물체의 위치 또는 조건의 결과이며, 만약 물체가 한 위치를 유지하고 풀어나면 어떤 일을 하게 될 경우 이 물체는 위치에너지(potential energy)를 가진다고 할 수 있습니다. 움직이기 시작하면 물체는 운동에너지(kinetic energy)를 가지게 되고, 이 두 형태의 예는 스프링에서 볼 수 있으며, 스프링이 감겨 고정되어 있을 때 이는 위치에너지를 갖고, 한번 움직이기 시작하면(늘어나거나 줄어들거나) 행동으로 풀어진 운동에너지를 가집니다.
미터식 시스템 환산
10단위에 기초하여 미터식 시스템은 하나의 단위에서 다른 단위로 쉽게 환산할 수 있게 해주며, 이 때문에 많은 과학자들이 일반적으로 미터식을 이용하고, 그러나 다이버들은 그들의 문화가 사용하는 방법을 사용하기 때문에 미터식과 피트식을 서로 환산할 수 있는 것은 유용하며, 여기에 여러분의 편의를 위해 흔히 사용되는 것들을 나열해 놓았습니다.
길이
1센티미터 = 0.3937인치
1미터 = 3.28피트
1킬로미터 = 0.62마일
1인치 = 2.54센티미터
1피트 = 0.3038미터
1마일 = 1.61킬로미터
무게
1그램 = 0.035온스
1킬로그램 = 2.2파운드
1미터식 톤 = 2204.6파운드
1온스 = 28.3그램
1파운드 = 0.45킬로그램
1톤 = 907.2킬로그램
부피
1리터 = 0.22겔론
1리터 = 0.9쿼트
1쿼트 = 1.1리터
1겔론 = 4.4리터
1겔론 = 0.15입방피트
1입방피트 = 28.3리터
1입방피트 = 6.4겔론
온도
섭씨에서 화씨로 전환하려면:
(C X 1.8) +32
화씨에서 섭씨로 전환하려면;
(F - 32) X 0,555
열
1칼로리 = 1그램의 물을 1C높이는데 필요한 열의 양
1BTU(영국열량단위) = 1파인트(1파운드)의 물을 1F높이는데 필요한 열의 양
1BTU = 252칼로리
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참고문헌: Instructor Manual(PADI)
The Encyclopedia of Recreational Diving(PADI)
Diving Knowledge Workbook(PADI)
Divemaster Manual(PADI)
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