토리첼리의 실험
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1. 개요
토리첼리의 실험은 17세기에 에반젤리스타 토리첼리가 수행한 실험으로, 공기의 압력을 측정하여 대기압의 존재를 증명하고 최초의 기압계를 개발하는 데 기여했다. 이 실험은 수은을 채운 유리관을 거꾸로 세워 수은 기둥의 높이를 측정하는 방식으로 진행되었으며, 수은 기둥의 높이가 대기압에 의해 지탱된다는 것을 밝혀냈다. 토리첼리의 실험은 진공의 개념을 정립하고, 기상 관측, 항공 안전, 산업 현장 등 다양한 분야에서 활용되는 기압계의 기초를 마련했다.
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| 토리첼리의 실험 | |
|---|---|
| 실험 정보 | |
| 이름 | 토리첼리의 실험 |
| 분야 | 물리학, 기상학 |
| 목적 | 대기압 측정 |
| 관련 인물 | 에반젤리스타 토리첼리 |
| 발표 년도 | 1643년 |
| 실험 방법 | |
| 준비물 | 한쪽 끝이 막힌 유리관 (약 1m 길이) 수은 수조 |
| 과정 | 유리관에 수은을 가득 채운다. 유리관의 입구를 막고 뒤집어 수은이 담긴 수조에 넣는다. 유리관 입구를 열면 수은 기둥이 내려가고, 일정 높이에서 멈춘다. |
| 관찰 결과 | 유리관 내의 수은 기둥 높이: 약 76cm (760 mm Hg) 유리관 상단 공간: 진공 (정확히는 수은 증기압 존재) |
| 원리 | 수조 표면에 작용하는 대기압과 수은 기둥의 무게가 평형을 이룬다. 수은 기둥 높이는 대기압에 비례한다. |
| 중요성 | |
| 의미 | 대기압의 존재를 실험적으로 증명 기압 측정의 기본 원리 제시 진공 상태 구현 |
| 추가 정보 | |
| 응용 | 기압계 |
| 참고 사항 | 실험 환경 (온도, 고도)에 따라 수은 기둥 높이가 달라질 수 있다. 물 대신 다른 액체를 사용할 경우, 기둥 높이가 달라진다. (물의 경우 약 10m) |
2. 역사적 배경
인류 역사의 대부분 동안 공기와 같은 기체의 압력은 무시, 부정되거나 당연하게 여겨졌다. 기원전 6세기 초, 밀레토스의 아낙시메네스는 모든 것은 다양한 수준의 압력으로 변화하는 공기로 만들어졌다고 주장했다. 아리스토텔레스는 "자연은 진공을 싫어한다"고 말하며 공기는 질량/무게가 없다고 주장했고, 이 견해는 2천 년 동안 유럽에서 지배적이었다. 갈릴레오조차도 이를 받아들였다.[1]
17세기에 에반젤리스타 토리첼리는 수은을 이용한 실험으로 공기의 존재를 측정할 수 있음을 보였다. 그는 한쪽 끝이 막힌 유리관을 수은이 담긴 그릇에 담그고 닫힌 끝을 들어 올려 열린 끝을 담근 채로 유지했다. 수은의 무게가 수은을 아래로 끌어당겨 먼 쪽 끝에 부분적인 진공 상태를 남겼고, 이는 공기/기체가 질량을 가지고 주변 물체에 압력을 가한다는 그의 믿음을 입증했다. 이 발견으로 토리첼리는 "우리는 틀림없는 실험으로 무게가 있는 것으로 알려진 공기라는 원소의 바다 바닥에 잠겨 살고 있습니다."라는 결론을 내렸다. 이 실험은 최초로 기록된 압력계였다.[1]
2. 1. 고대 그리스의 자연철학
밀레토스의 아낙시메네스는 모든 것은 다양한 수준의 압력에 의해 변화되는 공기로 만들어졌다고 주장했다. 그는 물이 증발하여 기체로 변하는 것을 관찰하고 이것이 고체 물질에도 적용된다고 생각했다. 더 응축된 공기는 더 차갑고 무거운 물체를 만들고, 팽창된 공기는 더 가볍고 뜨거운 물체를 만들었다. 이것은 기체가 따뜻할 때 밀도가 낮아지고 차가울 때 밀도가 높아지는 것과 유사하다.[1]아리스토텔레스는 어떤 저술에서 "자연은 진공을 싫어한다"고 그리고 공기는 질량/무게가 없다고 말했다. 그 철학자의 인기는 이것을 2천 년 동안 유럽에서 지배적인 견해로 유지했다. 심지어 갈릴레오도 진공의 끌어당김이 사이펀을 만들고 사이펀이 충분히 높으면 그 끌어당김을 극복할 수 있다고 믿으면서 이를 받아들였다.[1]
2. 2. 17세기 과학 혁명과 토리첼리의 등장
인류 역사의 대부분 동안 공기와 같은 기체의 압력은 무시되거나 부정되거나 당연하게 여겨졌지만, 기원전 6세기 초에 이미 밀레토스의 아낙시메네스는 모든 것은 단지 다양한 수준의 압력에 의해 변화되는 공기로 만들어졌다고 주장했다. 그는 물이 증발하여 기체로 변하는 것을 관찰하고 이것이 고체 물질에도 적용된다고 생각했다. 더 응축된 공기는 더 차갑고 무거운 물체를 만들고, 팽창된 공기는 더 가볍고 뜨거운 물체를 만들었다. 이것은 기체가 따뜻할 때 밀도가 낮아지고 차가울 때 밀도가 높아지는 것과 유사하다.아리스토텔레스는 어떤 저술에서 "자연은 진공을 싫어한다"고 그리고 공기는 질량/무게가 없다고 말했다. 그 철학자의 인기는 이것을 2천 년 동안 유럽에서 지배적인 견해로 유지했다. 심지어 갈릴레오도 진공의 끌어당김이 사이펀을 만들고 사이펀이 충분히 높으면 그 끌어당김을 극복할 수 있다고 믿으면서 이를 받아들였다.
17세기에 에반젤리스타 토리첼리는 공기의 존재를 측정할 수 있게 해주는 수은을 이용한 실험을 수행했다. 그는 한쪽 끝이 막힌 유리관을 수은이 담긴 그릇에 담그고 닫힌 끝을 들어 올려 열린 끝을 담근 채로 유지했다. 수은의 무게가 수은을 아래로 끌어당겨 먼 쪽 끝에 부분적인 진공 상태를 남겼다. 이것은 그가 공기/기체는 질량을 가지고 주변의 물체에 압력을 가한다는 그의 믿음을 입증했다. 이 실험은 본질적으로 최초로 기록된 압력계였다.
1647년 발레리아누스 마그누스는 그의 저서 ''Demonstratio ocularis''를 출판했는데, 그는 토리첼리가 3년 전에 수행한 실험과 동일한 실험을 통해 바르샤바의 폴란드 왕 라디슬라우스 4세의 궁정에서 진공의 존재를 증명했다고 주장했다. 3개월 후 블레즈 파스칼은 그의 저서 ''Expériences nouvelles touchant le vide''를 출판하여 그의 최초의 기압계 실험에 대한 세부 사항을 제공했다.
파스칼은 토리첼리보다 더 나아가 그의 매형에게 산에서 다른 고도에서 실험을 해보게 했고, 실제로 대기의 바다에서 더 아래로 내려갈수록 압력이 더 높다는 것을 발견했다.
2. 3. 토리첼리 이후의 발전
발레리아누스 마그누스는 1647년에 그의 저서 ''Demonstratio ocularis''를 출판했는데, 그는 토리첼리가 3년 전에 수행한 실험과 동일한 실험을 통해 바르샤바의 폴란드 왕 라디슬라우스 4세의 궁정에서 진공의 존재를 증명했다고 주장했다.[1] 블레즈 파스칼은 마그누스의 저서 출판 3개월 후, 그의 저서 ''Expériences nouvelles touchant le vide''를 출판하여 그의 최초의 기압계 실험에 대한 세부 사항을 제공했다.[1]파스칼은 토리첼리보다 더 나아가 그의 매형에게 산에서 다른 고도에서 실험을 해보게 했고, 실제로 대기의 바다에서 더 아래로 내려갈수록 압력이 더 높다는 것을 발견했다.[1]
3. 진행 과정
토리첼리는 그릇과 유리관에 수은을 채워 실험을 진행했다. 먼저 유리관에 수은을 75% 정도 채운 후, 관을 뒤집어 공기 방울을 완전히 제거하고 수은을 가득 채웠다. 다음으로 수은을 채운 관을 수은이 담긴 그릇에 거꾸로 세웠다. 이때 수은은 중력에 의해 아래로 내려가다가 약 76cm 높이에서 멈췄다.[5] 관을 흔들거나 기울여도 높이는 변하지 않았는데, 이는 그릇 표면에 작용하는 대기압이 수은 기둥을 밀어 올리는 힘과 평형을 이루기 때문이다.[2]
3. 1. 준비물
수은을 채운 그릇과 유리관을 준비한다. 관의 75% 가량이 찰 때까지 수은을 넣고, 관을 뒤집으면서 공기 방울을 완벽하게 제거한다. 이후 관이 가득 찰 때까지 수은을 더 넣는다. 마지막으로, 관에 수은을 다 채운 후에는 관을 접시 위에서 통째로 뒤집는다.[5] 이 실험에서는 간단한 기압계를 사용한다.[2]3. 2. 실험 단계
토리첼리의 실험 단계는 다음과 같다.1. 유리관과 그릇을 준비하고, 유리관에 수은을 75% 가량 채운다.
2. 유리관을 뒤집어가며 공기 방울을 완전히 없앤다.
3. 유리관에 수은을 가득 채운다.
4. 수은을 채운 유리관을 수은이 담긴 그릇에 거꾸로 세운다.
5. 수은 기둥이 약 76 cm 높이에서 멈추는 것을 확인한다.[5][2]
6. 유리관을 흔들거나 기울여도 수은 기둥의 높이는 변하지 않는다.[5][2]
이 실험에서 수은 기둥의 높이가 약 76 cm에서 멈추는 이유는 그릇 표면에 작용하는 대기압 때문이다.[5]
4. 실험 결과 및 의의
토리첼리는 관 속의 수은이 접시 위 수은 표면에 작용하는 대기압에 의해 지탱된다고 결론 내렸다. 또한 매일 변하는 액체의 수위는 대기압의 변화 때문에 발생한다고 밝혔다.[3]
1 파스칼은 1 제곱미터당 뉴턴(SI 단위)이다. 1 헥토파스칼은 100 파스칼이다.
4. 1. 토리첼리의 진공
토리첼리는 이 실험에서 대기압이 접시에 압력을 가해 수은이 빠져나오지 않음을 밝혀냈으며, 며칠 동안 실험을 계속하여 대기압이 변함에 따라 수은 기둥의 높이도 변함을 알아내었다. 관의 위쪽에 생기는 빈 공간은 토리첼리의 진공이라고 부른다.[6]
토리첼리는 관 속의 수은이 접시 위의 수은 표면에 작용하는 대기압에 의해 지탱된다는 결론을 내렸다. 그는 또한 매일 변하는 액체의 수위는 대기압의 변화에 의해 발생한다고 밝혔다. 관 속의 빈 공간을 토리첼리 진공이라고 한다.[3]
1 파스칼 = 1 제곱미터당 뉴턴(SI 단위)
1 헥토파스칼은 100 파스칼이다
4. 2. 대기압의 측정
토리첼리는 이 실험에서 대기압이 접시에 압력을 가해 수은이 빠져나오지 않음을 밝혀냈으며, 며칠 동안 실험을 계속하여 대기압이 변함에 따라 수은 기둥의 높이도 변함을 알아내었다. 관의 위쪽에 생기는 빈 공간은 토리첼리의 진공이라고 부른다.[6]
이 실험에서는 간단한 기압계를 사용하여 공기의 압력을 측정한다. 기압계의 관에 수은을 관의 75%까지 채운다. 관 안에 있는 공기 방울은 여러 번 뒤집어서 제거해야 한다. 그런 다음, 관이 완전히 찰 때까지 깨끗한 수은을 다시 채운다. 그런 다음 기압계를 수은이 가득 찬 접시에 거꾸로 놓는다. 그러면 관 속의 수은이 떨어져 수면과 관 속의 수은 높이 차이가 약 760 mm가 된다.[2] 관을 흔들거나 기울여도 대기압의 영향으로 수면과 관 속의 수은 높이 차이는 변하지 않는다.
토리첼리는 관 속의 수은이 접시 위의 수은 표면에 작용하는 대기압에 의해 지탱된다는 결론을 내렸다. 그는 또한 매일 변하는 액체의 수위는 대기압의 변화에 의해 발생한다고 밝혔다. 관 속의 빈 공간을 토리첼리 진공이라고 한다.[3]
1 파스칼 = 1 제곱미터당 뉴턴
1 헥토파스칼은 100 파스칼이다
4. 3. 대기압의 단위
토리첼리는 이 실험에서 대기압이 접시에 압력을 가해 수은이 빠져나오지 않음을 밝혀냈으며, 며칠 동안 실험을 계속하여 대기압이 변함에 따라 수은 기둥의 높이도 변함을 알아내었다.[6] 관 속의 수은은 접시 위의 수은 표면에 작용하는 대기압에 의해 지탱된다. 그는 또한 매일 변하는 액체의 수위는 대기압의 변화에 의해 발생한다고 밝혔다.[3]
1 파스칼 = 1 제곱미터당 뉴턴(SI 단위)
1 헥토파스칼은 100 파스칼이다
5. 현대적 응용
원문 소스에 현대적 응용에 대한 내용이 없으므로, 해당 섹션에는 내용을 작성할 수 없습니다.
참조
[1]
웹사이트
Torricelli's experiment. Simple barometer
http://www.physicsma[...]
2016-12-07
[2]
웹사이트
Torricelli's experiment.
http://www.demonstra[...]
2016-12-07
[3]
웹사이트
Torricelli Demonstrates the Existence of a Vacuum
https://www.aps.org/[...]
2016-12-07
[4]
웹인용
Torricelli's experiment. Simple barometer
http://www.physicsma[...]
2016-12-07
[5]
웹인용
Torricelli's experiment.
http://www.demonstra[...]
2016-12-07
[6]
웹인용
Torricelli Demonstrates the Existence of a Vacuum
https://www.aps.org/[...]
2016-12-07
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