압력 부피의 변화

기체는 압축이 가능하므로 그 부피는 압력이 늘어나면 줄어들고 압력이 줄어 들면 팽창한다. 밑으로 입구가 있는 용기에 공기를 가득 채우고 10m 수심으로 들어가면 절대압력 이 2bar 가 되므로 용기 속의 공기는 반으 로 줄어들 것이다.

절대 기압이 4bar 인 30m 수심에서는 1/4 만 채워지게 된다. 상승중에는 외부 압력이 떨어진만큼 부피가 늘어난다. 그리고 수면에 이르면 용기의 공기는 다시 가득 차 있게 된다. 10m 수심과 수면 사이에는 엄청난 압력과 부피의 차이가 있음을 주의해야 한다. 10m 까지 내려갈 때 부피는 절반이 되고 압력은 두 배가 된다. 계속 내려감에 따라 압력은 늘어나고 부피는 줄어 든다. 상승중에는 역으로 작용한다. 어떤 수심에서는 용기에 공기가 가득 차 있다면 그 공기는 상승 시에는 팽창한다. 만약 열린 용기 대신 탄력있는 닫힌 용기를 사용하면 수면으로 도착한 용기는 팽창해 있을 것이다. 반디로 더 깊이 들어가면 찌그러들 것이다. 만약 공기의 부피가 용기의 크기 이상 으로 팽창된다면 용기가 터지게 된다. 이 압력과 부피의 관계가 보일의 법칙이며, 다이빙에서 이것은 중요한 물리학의 법칙이다. 다이버는 이러한 원리를 쉽게 느낄 수 있다. 다이버의 인체나 장비 안의 공간에서는 상승이나 하강 도중 압력에 반비례한 부피의 변화가 일어난다. 만일 다이버의 어떤 공간의 압력이 주위의 압력과 다르다면 위험하다.

기압이 1bar 일때 공기중 질소는 약 80%를 차지한다. 따라서 기압의 80%는 질소에 의한 것이고, 20%는 산소에 의한 것이다. 혼합 기체에서의 총 압력은 각 기체가 독자적인 부피를 차지할 때의 압력인 부분압의 합과 같다. 이 법칙이 돌턴의 부분압의 법칙이다.

질소의 부분압 = 1기압의 80% = 0.8 기압 산소의 부분압 = 1기압의 20% = 0.2 기압 총기압 = 1 기압 pp라는 기호는 부분압(Partial Pressure)을 나타내고 부분압은 절대 압력에 정비례한다. 예를 들어 30m 에서의 질소의 pp는 3.2bar 이고 산소의 pp는 0.8bar 이다. 부분압의 중요한 점은 압력이 올라감에 따라 소량 기체에 의해 나타나는 중돌 효과 때문이다. 생명유지에 꼭 필요 한 산소는 2bar 가 넘는 부분압 에서는 반대의 효과가 나타 난다. 100% 산소를 10m 가 넘는 깊이에서 호흡한다면 산소 중독에 걸리게 된다. 압축공기로 숨을 쉴 때는 90m 에서의 산소 부분압이 2bar 에 도달한다. 일산화탄소는 공기에서 발견되는 극소량의 불순물이며, 수중에서 호흡하면 매우 위험하다. 대기압에서 신체는 백만분의 십ppm 정도의 일산화탄소 부분압에 안전하게 버틸 수 있다. 그러나 같은 공기를 50m 에서 마신다면 그 효과는 60ppm의 일산화탄소를 마시는 것과 같다. 이것은 죽시 중독을 일으킬 만한 수치다.

기체와 액체의 경계에서는 기체는 액체에 녹아 들어갈 수 있다. 녹아 들어가는 양은 다양한 요소에 의해 결정된다. 중요한 것 중 하나는 기체의 부분압이다. 압력이 올라갈수록 더더욱 잘 흡수된다. 그러나 압력이 낮아지면 반대로 기체가 액체로부터 배출되어 나온다. 이 관계는 헨리의 기체 용해 법칙을 따른다. 기체가 액체에 녹고 액체로부터 방출되어 나오는 것은 탄산음료를 예로 들 수 있다. 이런 음료수 뚜껑이 갑자기 열린다면 기체는 액체가 용기 밖으로 흘러나올 정도로 방출되어 나온다. 이 기체법칙은 다이버에게 두 가지 중요한 점을 설명한다. 첫번째는 산소가 혈액속으로 들어가고 이산화탄소가 나오는 즉각적이고 연속적인 교환이고, 두번째는 상승이나 하강중 혈액속이나 조직에서 일어나는 질소의 흡수와 배출이다. 폐 주위의 압력이 증가하거나 감소할 때, 하강은 문제가 없으나 상승중에는 흡수된 질소가 다이버에게 문제를 일으킨다. 만약 신체조직으로부터 질소가 빠져나가는 속도가 너무 빠르면 질소 기포가 조직속에 생기게 되고 감압병을 일으키에 된다.

수중의 온도는 거의 변하지 않는 반면, 재기의 온도는 하루에도 수 없이 자주 변한다. 기체가 열을 받으면 부피가 팽창하거나, 부피가 고정되어 있으면 압력이 증가한다. 이 법칙을 샤를의 법칙이라 한다. 가득찬 공기통을 태양광선이 강하게 내려쬐는 곳에 두면 안된다. 왜냐하면 압력이 계속 올라가 공기통의 한계를 넘을수도 있기 때문이다. 공기를 가득 채운 고무 보트를 강한 태양광선 아래 놓아두면 온도 상승으로 공기가 팽창된다.

어떤 물질을 물에 담그면 그 물질의 부피만큼 물을 밀어내고, 그 물질은 밀어낸 물의 무게만큼의 부력을 갖는다. 이것이 아르키메데스의 원리이다. 만약 물체의 부피에 해당되는 물의 무게가 물체의 무게보다 크다면 그 물체는 뜬다(양성부력). 그 반대로 물체의 무게가 크다면 가라앉는다(음성부력). 그러나 물체의 무게와 물의 무게가 같다면 뜨거나 가라앉지 않을 것이다. 이것이 중성부력이다. 신체는 대부분이 액체이므로 거의 중성부력을 이루며 약간의 차이는 호흡조절로 맞출 수 있다. 다이버는 장비나 호흡조절로 자신의 부피를 조절할 수 있으며, 따라서 자신의 부피를 조절하여 수중에서 중성부력을 유지할 수 있다.