압력

1. 개요

압력은 단위 면적당 작용하는 힘으로 정의되며, 기호 p 또는 P로 표시된다. 압력은 스칼라량이며, 국제단위계에서 파스칼(Pa)을 사용하고, 제곱인치당 파운드(psi), 바(bar) 등 다양한 단위로 표현된다. 유체 내 압력은 모든 방향으로 동일하게 작용하며, 압력의 종류에는 절대압, 게이지압, 정체압, 증기압 등이 있다. 압력은 물질의 끓는점, 녹는점 변화, 결정 구조 변화, 전하 발생 등 다양한 현상과 관련 있으며, 초고압 연구는 다이아몬드 앤빌 셀 등을 이용하여 진행된다. 또한 압력은 비유적으로 사람이나 단체에 가해지는 위협의 의미로 사용되기도 한다.

2. 정의

압력은 단위 면적당 가해지는 힘으로 정의된다. 국제 순수·응용 화학 연합에서는 압력의 기호로 소문자 p를 권장하지만, 대문자 P도 널리 사용된다. P와 p의 사용은 작업 분야, 일률이나 운동량과 같은 다른 물리량 기호와의 근접성, 그리고 작성 스타일에 따라 달라진다.

국제단위계에서 압력의 단위는 파스칼이며, 1 Pa = 1 N/m²이다. 역사적으로 수은주의 높이, 바 등으로도 나타낸다. 정지하고 있는 유체 내의 한 점에서 작용하는 압력은 방향에 관계없이 일정하며, 이를 정수압이라고 한다.

압력에는 절대 진공을 기준으로 하는 절대압과 대기압을 기준으로 하는 게이지압(상대압)이 있다.

2.1. 공식

:$p\; =\; \backslash frac\{F\}\{A\}$

위 식에서
:p는 파스칼로 나타낸 압력,
:F는 뉴턴으로 나타낸 힘,
:A는 제곱미터로 나타낸 면적이다.

압력은 스칼라양이다. 압력은 수직 벡터 방향의 표면과 그 표면에 수직한 벡터 방향의 힘과 관련 있으며, 크기는 이 두 벡터의 크기에 대해 비례한다.
:$d\backslash mathbf\{F\}\_n=-p\backslash ,d\backslash mathbf\{A\}\; =\; -p\backslash ,\backslash mathbf\{n\}\backslash ,dA$
힘은 표면에 들어가는 방향으로 가해지지만 수직 벡터 점은 표면에서 나오는 방향인 것을 고려하여 (-) 부호를 붙인다. 이 방정식에서 유체와 닿아있는 면적이 S인 물체가 유체로부터 표면으로 가해지는 힘은 면적 S에 대해 면적분한 값이 된다.

"압력이 어느 방향으로 가해진다"라고 표현하는 것은 잘못된 것이다. 압력은 스칼라양이므로 방향이 없다. 앞의 관계에서 주어진 힘은 방향과 크기가 있었지만, 압력은 아니다. 만약 압력을 받는 물체의 표면을 바꾼다면 수직한 힘의 방향은 바뀌겠지만, 압력은 바뀌지 않고 그대로 남는다.

압력은 고체의 경계면, 액체의 경계면에 수직한 방향이나 모든 부분에서 작용한다. 이는 열역학의 기본적 매개 변수이다. 국제단위계에서 압력의 단위는 파스칼이다. 1 Pa = 1 N/m²이다. 또한 역사적으로는 수은주의 (수은면의) 높이, 바 등으로도 나타내고 있다.

3. 단위

국제단위계(SI)에서는 파스칼(Pa)을 압력 단위로 사용하며, 이는 제곱미터당 뉴턴(N/m²)을 의미한다. 1971년 이전에는 '제곱미터당 뉴턴'으로 표현했다.

제곱인치당 파운드(lbf/in²)나 바(bar)도 흔히 쓰인다. CGS 단위계에서 압력은 바리(Ba)이며, 1 dyn·cm⁻² 또는 0.1 Pa이다. 압력은 제곱센티미터당 그램힘 또는 킬로그램힘(g/cm² 또는 kg/cm²)으로 표현하기도 하지만, SI 단위계에서는 킬로그램, 그램 등을 힘 단위로 사용하는 것을 권장하지 않는다. 공학 기압(at)은 1 kgf/cm² (98.0665 kPa)이다.

압력은 단위 부피당 저장된 퍼텐셜 에너지로 측정될 수 있으며, 제곱미터당 줄(J/m³)로 표현 가능하다. (J/m³은 Pa와 동일).

기압(atm)은 지구의 평균 해수면에서의 대기 압력으로, 101,325 Pa으로 정의된다.

기압계 관 안의 액체(주로 수은(Hg)이나 물)의 높이로 표현되기도 한다. (수주센티미터, 수은주인치, 수은주밀리미터). 높이 h인 밀도 ρ 액체 기둥에 가해지는 압력은 p = ρgh이다. (g는 중력 가속도)

몇몇 기상학자들은 대기 압력을 표현하기 위해 헥토파스칼(hPa)을 선호하는데, 이는 옛날에 쓰던 밀리바(mbar)와 동일하다. 킬로파스칼(kPa)이 다른 분야에선 더 자주 쓰인다. 미국에선 수은주밀리미터(mmHg)가 아직도 쓰인다. 해양학자는 수중 압력을 측정할 때 데시바(dbar)를 주로 사용하는데, 이는 바다는 수심 1m당 압력이 거의 1데시바만큼 증가하기 때문이다.

수은주밀리미터는 토르(torr)로 바꿔 사용할 수 있다. 전 세계적으로 혈압은 수은주밀리미터, 폐 압력은 수주센티미터로 표기한다.

잠수 시에는 미터 해수(msw)와 피트 해수(fsw)를 사용하며, msw는 0.1 bar(= 10,000 Pa)로 정의된다.

3.1. 다양한 압력 단위

국제단위계에서는 파스칼(Pa)을 압력 단위로 사용하며, 이는 제곱미터당 뉴턴(N/m²)을 의미한다. 1971년 이전에는 '제곱미터당 뉴턴'으로 표현했다.

제곱인치당 파운드(lbf/in²)나 바(bar)도 흔히 쓰인다. CGS 단위계에서 압력은 바리(Ba)이며, 1 dyn·cm⁻² 또는 0.1 Pa이다. 압력은 제곱센티미터당 그램힘 또는 킬로그램힘(g/cm² 또는 kg/cm²)으로 표현하기도 하지만, SI 단위계에서는 킬로그램, 그램 등을 힘 단위로 사용하는 것을 권장하지 않는다. 공학 기압(at)은 1 kgf/cm² (98.0665 kPa)이다.

압력은 단위부피당 저장된 퍼텐셜에너지로 측정될 수 있으며, 제곱미터당 줄(J/m³)로 표현 가능하다. (J/m³은 Pa와 동일).

몇몇 기상학자들은 대기압을 표현하기 위해 헥토파스칼(hPa)을 선호하는데, 이는 밀리바(mbar)와 같다. 킬로파스칼(kPa)이 다른 분야에서 더 자주 쓰인다. 미국에서는 수은주밀리미터(mmHg)가 여전히 쓰인다. 해양학자는 수중압력을 측정할 때 데시바(dbar)를 주로 사용한다.

기압(atm)은 지구의 평균 해수면에서의 대기압력으로, 101,325 Pa으로 정의된다.

압력은 기압계 관 안의 액체(주로 수은(Hg)이나 물)의 높이로 표현되기도 한다. (수주센티미터, 수은주인치, 수은주밀리미터). 높이 h인 밀도 ρ액체 기둥에 가해지는 압력은 p = ρgh이다. (g는 중력가속도)

수은주밀리미터는 토르(torr)로 바꿔 사용할 수 있다. 전 세계적으로 혈압은 수은주밀리미터, 폐 압력은 수주센티미터로 표기한다.

잠수부들은 미터 해수(msw 또는 MSW)와 피트 해수(fsw 또는 FSW)를 사용하며, msw는 0.1 bar(= 10,000 Pa)로 정의된다.

현재 또는 이전에 인기 있었던 압력 단위는 다음과 같다:

4. 압력의 측정

압력을 측정하는 장치를 “압력계”(pressure meter^영어, pressure gauge)라고 하며, 다음과 같은 것들이 대표적이다. 또한, 압력계는 액면계로도 이용된다.

; 부르동관 압력계
: 부르동관의 탄성 변형을 이용하여 측정한다.
; 다이어프램 압력계
: 유체와 부르동관 압력계 사이에 다이어프램을 설치하고, 수압부와 부르동관 사이에 봉입액을 채워 압력의 전달 매체로 한 것이다.

5. 압력의 종류

국제단위계에서 압력의 단위는 파스칼이다. 1 Pa = 1 N/m²이다. 또한 역사적으로는 수은주의 (수은면의) 높이, 바 등으로도 나타내고 있다.

정지하고 있는 유체 내의 한 점에서 작용하는 압력은 방향에 관계없이 일정하며, 이를 정수압이라고 한다.

압력에는, 절대 진공(절대 영압)을 기준(0)으로 하는 절대압과, 대기압을 기준(0)으로 하는 게이지압(상대압)이 있다.

6. 유체 압력

유체 압력은 유체 내 특정 지점에서 발생하는 압축 응력을 의미하며, 액체와 기체를 모두 포함하는 개념이다. 유체 압력은 개방된 상태(예: 바다, 수영장, 대기)와 폐쇄된 상태(예: 수도관, 가스관)에서 나타날 수 있다.

블레즈 파스칼과 다니엘 베르누이는 유체 압력 연구에 중요한 공헌을 했다. 특히, 베르누이 방정식은 이상적인 유체의 압력을 계산하는 데 사용된다. 압력(P)은 단위 면적(S) 당 작용하는 힘(F)으로 표현된다. (P = F / S) 국제단위계에서 압력의 단위는 파스칼(Pa)이며, 1 Pa = 1 N/m²이다. 역사적으로 수은주 높이, 바 등의 단위도 사용되었다.

정지 유체 내 한 점에서의 압력은 방향에 관계없이 일정하며, 이를 정수압이라고 한다. 압력은 절대 진공을 기준으로 하는 절대압과 대기압을 기준으로 하는 게이지압(상대압)으로 구분된다.

6.1. 유체 정역학

개방된 상태의 압력은 정지 상태, 즉 물이 이동하지 않는 상태의 압력으로 근사할 수 있다. 이는 파도나 해류가 있는 바다에서도 마찬가지인데, 이러한 움직임은 압력에 미미한 변화만 일으키기 때문이다. 이러한 조건은 유체 정역학의 원리를 따른다. 정지(정적) 유체의 특정 지점에서의 압력을 정수압이라고 한다.

6.2. 유체 역학

유체 압력은 대부분 유체 내 특정 지점에서의 압축 응력을 의미한다. 여기서 '유체'는 액체와 기체를 모두 포함한다. 유체 압력은 개방된 상태(예: 바다, 수영장, 대기)와 폐쇄된 상태(예: 수도관, 가스관)에서 발생할 수 있다.

개방된 상태의 압력은 유체 정역학의 원리에 따라 정지 상태의 압력으로 근사할 수 있으며, 이를 정수압이라고 한다. 반면 폐쇄된 조건의 압력은 유체 역학의 원리에 따르며, 유체가 정지해 있거나(정적) 움직이는(동적) 상태 모두 가능하다.

블레즈 파스칼과 다니엘 베르누이는 유체 압력 개념 정립에 크게 기여했다. 특히 베르누이 방정식은 이상적이고 비압축성인 유체에서 압력을 계산하는 데 사용된다. 이 방정식은 다음과 같다.

$$\backslash frac\{p\}\{\backslash gamma\}\; +\; \backslash frac\{v^2\}\{2g\}\; +\; z\; =\; \backslash mathrm\{const\},$$

여기서,

* p: 유체의 압력
* $\{\backslash gamma\}$ = ρg: 유체의 비중량 (밀도 × 중력 가속도)
* v: 유체의 속도
* g: 중력 가속도
* z: 높이
* $\backslash frac\{p\}\{\backslash gamma\}$: 압력 수두
* $\backslash frac\{v^2\}\{2g\}$: 속도 수두

분자 운동론적 관점에서, 압력 P는 비리얼 정리에 의해 다음과 같이 표현된다.

:$P\; =\; \backslash left\backslash langle\; \{1\; \backslash over\; 3V\}\; \backslash left(\backslash sum\_i\; \{\; \{P\_i\}^2\; \backslash over\; m\_i\; \}\; -\; \backslash sum\_i\; r\_i\; \{\; \{\backslash partial\; \backslash phi\; \}\; \backslash over\; \{\backslash partial\; \backslash vec\{r\}\_i\; \}\; \}\; \backslash right)\; \backslash right\backslash rangle$

위 식에서,

* $\backslash langle\; \backslash cdot\; \backslash rangle$: 통계적 평균
* 우변 첫 번째 항: 입자의 총 운동 에너지 합
* 우변 두 번째 항: 입자 간 상호작용 힘과 좌표 곱의 합
* i: 입자 지표
* m_i: 입자 질량
* $\backslash vec\{r\}\_i$: 입자 i의 위치 벡터
* $\backslash phi\; \backslash ,$: 퍼텐셜
* V: 계의 부피

열역학에서 평형 상태의 압력 P는 에너지의 부피 V에 대한 편미분으로 나타낼 수 있다.

:$P:=-\backslash frac\{\backslash partial\; U(S,V)\}\{\backslash partial\; V\},$

또는

: $P\; =\; -\; \{\; \{\backslash partial\; F(T,V)\}\; \backslash over\; \{\backslash partial\; V\}\; \}$


여기서,

* U: 내부 에너지
* S: 엔트로피
* F: 헬름홀츠 자유 에너지
* T: 절대 온도

이 열역학적 정의는 국소 비평형 상태나 비평형 정상 상태에도 확장 가능하며, 단위 면적당 힘이라는 역학적 정의에 의한 압력과 같다.

6.3. 유체 압력의 방향

압력은 스칼라 양이다. 압력은 수직 벡터 방향의 표면과 그 표면에 수직한 벡터 방향의 힘과 관련이 있으며, 크기는 이 두 벡터의 크기에 대해 비례한다. 힘은 표면에 들어가는 방향으로 가해지지만 수직 벡터 점은 표에서 나오는 방향인 것을 고려하여 (-) 부호를 붙인다.

"어느 방향으로 압력이 가해진다"라고 표현하는 것은 잘못된 것이다. 압력은 스칼라 양이며 방향이 없기 때문이다. 앞의 관계에서 주어진 힘은 방향과 크기가 있었지만, 압력은 아니다. 만약 압력을 받는 물체의 표면을 바꾼다면 수직한 힘의 방향은 바뀌겠지만, 압력은 바뀌지 않고 그대로 남는다.

압력은 고체의 경계면, 액체의 경계면에 수직한 방향이나 모든 부분에서 작용한다.

실험적으로 확인된 사실에 따르면 액체의 압력은 모든 방향으로 동일하게 작용한다. 물속에 잠긴 사람은 머리를 어느 방향으로 기울이든 귀에 작용하는 물의 압력은 동일하게 느낀다. 액체는 흐를 수 있기 때문에 이 압력은 아래쪽으로만 작용하는 것이 아니다. 똑바로 세운 용기의 측면에 난 구멍에서 물이 옆으로 뿜어져 나오는 것을 보면 압력이 옆으로도 작용하는 것을 알 수 있다. 또한 누군가 해변 공을 물속으로 밀어 넣으려고 할 때처럼 압력은 위쪽으로도 작용한다. 배의 바닥은 물의 압력(부력)에 의해 위쪽으로 밀어 올려진다.

액체가 표면에 압력을 가할 때, 표면에 수직인 알짜힘이 작용한다. 압력 자체는 특정 방향을 가지고 있지 않지만, 힘은 방향을 가진다. 물속에 잠긴 삼각형 블록은 여러 방향에서 물의 힘을 받지만, 표면에 수직이 아닌 힘의 성분들은 서로 상쇄되어 수직 방향의 알짜힘만 남게 된다.

7. 압력과 관련된 현상

압력을 가하거나 변화시킴으로써, 다음과 같은 성질을 나타내는 물질이 있다.

* 끓는점, 녹는점의 변화: → 상평형 그림
* 결정 구조의 변화: 압력에 의해 물질의 구조가 변하는 물질이 있다. → 구조 상전이
* 전하의 발생, 전기 저항의 변화: 압력을 가함으로써 물체의 표면에 전하가 발생하거나(압전 효과), 전기 저항이 변화한다. 압전자는 가스레인지의 점화 장치 등에 이용된다.
* 자화의 변화: 압력에 의해 자화의 세기가 변한다. → 빌라리 현상

8. 초고압 연구

물리학이나 화학 분야에서는 각 분야마다 기준이 달라 명확한 판단 기준은 없다. 압력 하에서의 물리·화학적 실험 연구 분야에서는 다이아몬드 앤빌 셀을 사용하여 발생시킬 수 있는 압력 영역부터 초고압이라고 불리는 경향이 있다. 압력 값으로는 10만 기압 정도가 경계가 될 수 있다. 초고압 실험 장치에 대한 자세한 내용은 하위 문단을 참고하면 된다.

8.1. 초고압 실험 장치

초고압력 실험 장치는 크게 프레스형과 다이아몬드 앤빌 셀을 사용하는 방식으로 나눌 수 있다.

프레스형은 피스톤 실린더 등을 사용하여 발생한 압력을 유압(직접 가압하는 경우도 있음)으로 전달하여 시료를 누른다. 발생 가능한 압력은 대략 수만 기압(수 GPa) 정도이다. 비교적 넓은 압력 발생 공간을 확보할 수 있어 다양한 물성 측정 실험이 가능하다.

다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell: DAC)은 자연 또는 인공 합성 다이아몬드를 사용하여 초고압력을 실현한다. 소형(손바닥 크기)이며, 투명하여 광학적 관측이 가능하고, 수백만 기압(수백 GPa)까지 가압할 수 있다. 하지만, 다이아몬드 자체가 대형화될 수 없으므로 시료는 매우 작아야 한다. 다이아몬드 외에 사파이어, 탄화규소를 사용한 앤빌 셀도 있지만, 가압할 수 있는 압력은 다이아몬드보다 낮다.

위에 언급된 고압력 실험은 일반적으로 정적인 압력 발생을 전제로 하지만, 동적으로 압력을 가하는 충격 압축 실험도 있다. 충격 압축으로 달성 가능한 압력 값이 일반적으로 더 높다.

그 외 비등방성 압력 실험 시도도 있다.

9. 비유적 용법

"압력"은 비유적으로 사람을 위협하여 따르게 하려는 힘을 가리키기도 한다.

* 압력 단체 - 자신의 이익을 위해 여러 가지 수단을 사용하여 다른 사람들을 위협하는 단체를 이렇게 부르기도 한다.
* 협박, 공포 정치