안과 밖: 보일의 법칙 시연

Science Buddies의 긴장감 넘치는 과학 프로젝트

주요 개념물리학가스압력부피보일의 법칙

소개 당신은 아마도 이전에 탄산음료를 열었고 병에서 바로 액체 거품이 올라와서 엄청나게 엉망이 된 적이 있을 것입니다. 왜 그런 일이 발생합니까? 이는 액체를 거품으로 만들기 위해 액체에 첨가되는 이산화탄소 가스와 관련이 있습니다. 병을 열면 내부에 쌓인 압력이 해제되어 기액 혼합물이 병 밖으로 쏟아져 나옵니다. 이 활동에서는 공기와 물이 채워진 풍선을 사용하여 가스가 압력에 따라 부피가 어떻게 변하는지 보여줍니다.

배경 고체, 액체, 기체의 차이는 입자(분자 또는 원자)가 어떻게 행동하느냐에 따라 달라집니다. 고체의 입자는 일반적으로 규칙적인 패턴으로 촘촘하게 채워져 있습니다. 액체 속의 입자들도 서로 가깝지만 자유롭게 움직일 수 있습니다. 그러나 가스 입자는 넓게 퍼져서 많은 공간을 차지합니다. 그들은 사용 가능한 모든 공간으로 계속해서 퍼집니다. 이는 액체와 고체와 달리 기체의 부피가 고정되어 있지 않다는 것을 의미합니다. 17세기의 화학자이자 물리학자인 로버트 보일(Robert Boyle)은 가스의 부피, 즉 가스가 차지하는 공간이 압력과 관련이 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지라는 사실을 발견했습니다. 그는 가스에 압력을 가하면 부피가 줄어든다는 사실을 발견했습니다. 압력을 낮추면 부피가 증가합니다.

자전거 타이어에 공기를 채우면 보일의 법칙이 실제로 적용되는 모습을 관찰할 수 있습니다. 타이어에 공기를 주입하면 타이어 내부의 가스 분자가 압축되어 서로 밀착됩니다. 이로 인해 가스 압력이 증가하고 타이어 벽을 밀기 시작합니다. 타이어에 압력이 가해지고 단단해지는 것을 느낄 수 있습니다. 또 다른 예는 탄산음료 병입니다. 이산화탄소 가스를 액체에 넣으려면 일반적으로 병 전체에 가스로 압력을 가합니다. 병이 닫혀 있는 동안에는 가스가 작은 공간에 갇혀 병의 벽을 밀기 때문에 짜내기가 매우 어렵습니다. 그러나 캡을 제거하면 사용 가능한 부피가 증가하고 일부 가스가 빠져나갑니다. 동시에 압력이 감소합니다.

보일의 법칙을 보여주는 중요한 증거 중 하나는 우리 자신의 호흡입니다. 숨을 들이쉬고 내쉬는 것은 기본적으로 흉강의 부피를 늘리거나 줄이는 것을 의미합니다. 이로 인해 폐에 낮은 압력과 높은 압력이 발생하여 공기가 폐로 빨려 들어가 폐에서 빠져나오게 됩니다. 이 활동에서는 보일의 법칙을 직접 시연해 보겠습니다.

재료

준비

절차

관찰 및 결과 공기가 채워진 풍선 안의 공기가 수축하고 팽창하는 모습을 보셨나요? 손가락으로 주사기 끝을 닫지 않고도 플런저를 쉽게 밀 수 있습니다. 주사기 끝에 있는 구멍을 통해 공기가 빠져나갈 수 있습니다. 하지만 손가락으로 주사기를 닫으면 공기가 더 이상 빠져나올 수 없습니다. 플런저를 누르면 공기의 압력이 증가하여 풍선 안의 공기가 수축하거나 부피가 감소합니다. 공기가 채워진 풍선이 오그라들고 크기가 작아지는 것을 보셨을 것입니다. 주사기 입구를 닫고 플런저를 뒤로 당기면 반대 현상이 발생합니다. 이번에는 주사기 내부 공기의 압력을 낮추고 부피는 증가합니다. 결과적으로 공기가 채워진 풍선은 팽창하고 크기가 커집니다. 이는 보일의 법칙을 완벽하게 입증하는 것입니다!

물을 채운 풍선을 사용하면 결과가 다르게 보입니다. 플런저를 누르면 주사기 내부의 공기가 압축되지만 풍선 내부의 물은 압축되지 않습니다. 풍선은 같은 크기로 유지됩니다. 물풍선은 주사기 끝을 닫은 상태에서 플런저를 당겨도 모양이 유지됩니다. 가스와 달리 액체는 입자가 이미 서로 매우 가깝기 때문에 압축할 수 없습니다. 보일의 법칙은 기체에만 적용됩니다.

주사기에 물도 채웠다면 플런저를 주사기에 밀어넣는 동안 공기가 채워진 풍선이 수축하는 것을 볼 수 있을 것입니다. 공기가 채워진 풍선은 주사기 끝이 닫혀 있는 동안 플런저를 당겨도 팽창해야 합니다. 하지만 공기가 채워진 주사기로는 플런저를 최대한 멀리 밀고 당길 수 없다는 사실을 눈치채셨을 것입니다. 이는 액체가 가스처럼 압축될 수 없다는 사실 때문이기도 합니다. 물이 채워진 풍선을 사용하여 물이 채워진 주사기에서 플런저를 밀거나 뒤로 당기려고 할 때도 이를 관찰했어야 합니다. 플런저를 안팎으로 움직이는 것은 아마도 불가능했을 것입니다!