주사기로 ‘꾹!’ 공기를 눌러라! 눈으로 확인하는 보일의 법칙 실험
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
눈에 보이지 않는 공기지만, 사실 우리를 늘 강력하게 누르고 있습니다. 만약 그 공기를 꽉 가두고 더 세게 압축한다면 어떻게 될까요? 오늘은 그런 공기의 ‘힘(압력)’과 ‘크기(부피)’ 사이의 신기한 관계를 파헤치는 ‘보일의 법칙’ 실험을 소개합니다. 산에 오르면 과자 봉지가 빵빵하게 부푸는 현상의 비밀을 알게 될지도 몰라요!
실험에 사용한 도구들
이번에 사용한 건 나리카(ナリカ)에서 판매하는 실험 세트입니다. 세트 구성은 커다란 주사기, 압력계, 그리고 둘을 연결하는 고무 튜브로 되어 있어요. 간단하지만, 이 도구들로 공기의 비밀에 접근할 수 있습니다.
실험 시작! 공기를 꽉 압축해 봅니다
먼저 세팅부터 시작합니다. 주사기에 고무 튜브를 연결하고 압력계도 연결합니다. 이번에는 주사기 안의 공기 부피를 읽기 쉽도록, 50ml 눈금에서 시작했어요.
매뉴얼에도 50ml로 되어 있어서, 같은 조건으로 진행했습니다.
이 시작 시점에서 압력계는 약 **100kPa(킬로파스칼)**을 가리키고 있습니다. 이 값은 우리가 평소 생활하는 곳의 **대기압(공기의 무게로 인한 압력)**과 거의 같은 수치입니다.
이제 주사기 피스톤을 힘껏 밀어 넣습니다. 가둬둔 공기의 부피를 작게 줄여나가자… 예상대로 압력계의 수치가 쭉쭉 올라갑니다!
결과 발표! 압력과 부피의 아름다운 관계
기압이 100kPa일 때(시작), 110kPa이 되었을 때, 120kPa이 되었을 때…와 같이, 미는 힘을 조절하면서 그때그때 공기의 부피를 눈금으로 측정해 나갑니다. 다음은 그 데이터를 정리한 것입니다.
이 숫자만 봐서는 감이 잘 안 올 수도 있지만, 이를 그래프(P-V 그래프라고 합니다)로 나타내 보면 깜짝 놀랄 만큼 아름다운 관계가 드러납니다.
어떠세요? 이 곡선은 수학에서 배웠던 ‘반비례’ 그래프와 똑같죠! 즉, **’부피를 절반으로 줄이면, 압력은 두 배가 된다’**는 관계가 숨어 있었던 겁니다.
왜 반비례 관계가 나타날까요?
그렇다면 왜 이런 관계가 성립할까요? 공기는 눈에는 안 보이지만, 수많은 **’공기 알갱이(분자)’**들이 돌아다니고 있습니다. 압력이 생기는 것은 이 알갱이들이 주사기의 벽에 부딪히기 때문입니다.
주사기를 눌러서 부피(방)를 좁게 만들면 어떻게 될까요? 알갱이들이 돌아다닐 수 있는 공간이 줄어들어 벽에 부딪히는 횟수가 더 많아지겠죠. 이것이 바로 ‘압력이 올라간다’는 의미입니다. 부피를 절반으로 줄이면 부딪히는 횟수는 단순히 두 배가 됩니다. 그래서 압력과 부피는 깔끔한 반비례 관계를 이루는 것이죠. 이것이 바로 **’보일의 법칙’**입니다.
교실에서의 도전
이 실험 세트를 일단 하나 구입해 보았는데요, 곧바로 수업 시간에 학생들에게 직접 체험하게 했습니다. 대표 학생이 피스톤을 밀거나 당기는 동안, 모두가 눈금을 읽고, 기록한 다음, 그래프 용지에 점을 찍어보는 작업입니다.
교과서로 ‘반비례가 됩니다’라고 배우는 것뿐만 아니라, 이렇게 ‘눈으로 보고, 손으로 느끼고, 그래프로 그려보는’ 체험을 통해 공기의 성질을 실제로 체감할 수 있었던 것 같아요. 간단하게 법칙을 확인할 수 있어서, 각 조마다 하나씩 있었으면 좋겠다고 생각하고 있습니다.
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