기압
atm — SI 외 단위 · 물리량: 압력 · 정확히 101 325 Pa
피렌체의 우물 기술자들은 아무리 애를 써도 어떤 펌프도 물을 십 미터 반 위로는 끌어올리지 못한다고 불평했다. 갈릴레이는 자연도 이제 진공에 대한 두려움이 바닥난 모양이라고 농담했다. 그의 제자 토리첼리는 이를 진지하게 확인하기로 하고 물을 수은으로 바꾸었다. 수은은 열네 배 무거우니 기둥은 짧아져 탁자 위에도 놓인다. 밀봉한 관 속의 수은은 칠십육 센티미터에서 멈추었고, 그 위에는 있어서는 안 될 빈 공간이 남았다. 그러니 펌프는 아무것도 빨아들이지 않는다. 물을 관 속으로 밀어 넣는 것은 공기이며, 그것도 이 기둥이 감당할 수 있는 바로 그만큼의 힘으로 민다. 우리는 공기 바다의 바닥에 잠긴 채 살고 있다고 토리첼리는 썼다.
01 · 정의
기압은 SI 외의 압력 단위로, 정확히 101 325 파스칼과 같다. 이 수는 측정된 것이 아니라 정해진 것이다. 0도와 표준중력가속도에서 높이 760 mm인 수은주의 압력을 한 번 계산해 두고, 1954년부터 정의로 고정했다.
논리에 무슨 일이 벌어졌는지 눈여겨보자. 처음에 단위는 사물이었다. 부을 수 있고 자로 잴 수 있으며 눈으로 볼 수 있는 수은 기둥이었다. 그다음 그 사물을 수은의 밀도와 중력으로 계산해 다섯 자리 수를 얻었고, 그 수 자체를 단위로 선언했다. 그 뒤로 수은은 필요 없어졌다. 내일 그 밀도가 조금 더 정확히 밝혀진다 해도 기압은 꿈쩍하지 않는다. 더 이상 수은에 관한 것이 아니기 때문이다.
이 단위에서 헷갈리는 것은 이름의 뒷부분뿐이다. 「표준」 대기압은 창밖에서 벌어지는 일에 대해 아무 말도 하지 않는다. 지표의 실제 압력은 태풍의 눈에서 870 헥토파스칼부터 겨울 시베리아 상공의 1085까지 오르내리며, 정확히 1기압이 되는 것은 엄밀히 말해 우연이다. 이것은 기준점이지 측정이 아니다. 기체의 부피는 여기에 맞추어 환산되고, 끓는점은 여기서부터 세며, 압력계는 이것으로 눈금을 매긴다. 그리고 습관처럼 「상압」이라 부르지만, 자연에 상압이라는 것은 존재하지 않는다.
고정된 이 수에서 이 시트의 산술이 모두 따라 나온다. 기압은 수은주밀리미터의 정확히 760배, 바의 1.013 25배, 공학기압의 1.033배다. 공학기압이란 바로 그 「at」, 제곱센티미터당 중량킬로그램으로, 지금도 진짜와 혼동된다. 둘의 차이는 3퍼센트. 계산을 망치기에는 충분하고, 압력계 눈금에서 알아차리기에는 너무 작다.
1기압이란 1제곱미터마다 얹혀 있는 십 톤 삼백삼십 킬로그램의 공기다. 어른의 어깨에는 육백 킬로그램쯤, 손바닥에는 백오십 킬로그램쯤이 놓인다. 그런데도 우리가 짓눌리지 않는 것은 바깥에서도 안에서도 똑같이 누르기 때문이다. 하지만 한쪽에서 절반을 덜어내는 순간, 그 차이는 충분히 느껴지는 힘이 된다. 흡착판도, 빨대도, 유리를 드는 진공 흡착기도, 숨을 들이쉴 때의 가슴도 원리는 같다. 한쪽 압력을 조금 낮추고, 나머지 일은 대기가 하게 두는 것이다.
02 · 환산
값을 입력하면 이 시트가 나머지 단위로 환산합니다
세 갈래: 압력의 눈금 그 자체, 그 압력 아래 놓인 익숙한 사물들, 그리고 대기가 정하는 표준 상태.
가장 큰 함정은 계수가 아니라 무엇을 기준으로 세느냐에 있다. 가정용 압력계 — 타이어용이든 컴프레서용이든 바늘이 달린 어떤 것이든 — 는 게이지압, 즉 주위 공기와의 차이를 가리킨다. 「타이어에 2.5」는 절대압으로 3.5를 뜻한다. 기체 법칙의 식, 끓는점, 용해도는 모두 절대압을 요구한다. 영어 카탈로그에 psig와 psia 두 표기가 있는 까닭이 여기 있고, 망가진 계산의 절반도 여기서 나온다. 둘을 혼동한다는 것은 정확히 1기압만큼 어긋난다는 뜻이며, 낮은 압력에서는 측정하려는 양보다도 크다.
| 표기 | 무슨 뜻인가 | 값 | 어디에서 쓰이나 |
|---|---|---|---|
| atm | 표준 대기압 | 1.0000 | 화학, 잠수 |
| Pa | 파스칼, SI 단위 | 101325 Pa | 규격과 계산 |
| kPa | 킬로파스칼 | 101.325 | 타이어, SI 기반 기술 |
| bar | bar | 1.01325 | 유압, 다이빙 |
| hPa | 헥토파스칼, 곧 밀리바 | 1013.3 | 일기 예보 |
| mmHg | 토르 | 760.00 | 의학, 진공 기술 |
| at | 공학용, kgf/cm² | 1.0332 | 오래된 문서 |
| psi | 제곱인치당 중량파운드 | 14.696 | 영미권 기술 |
| mmHg | 혈압 | 101325 Pa | 120 mm — 건강한 성인의 수축기 혈압 |
| bar | 승용차 타이어 | 101325 Pa | 계기에서 2.5 bar |
| atm | 스쿠버 탱크 | 101325 Pa | 강철 탱크에 200기압 |
| hPa | 일기 예보 | 101325 Pa | 지표에서 1013 hPa |
| atm | IUPAC 표준 상태 | 101325 Pa | 1982년부터 1 bar, 그 전에는 기압 |
| kPa | 표준 상태 | 101325 Pa | 101.325 kPa와 0 °C |
| mmHg | 기압계 교정 | 101325 Pa | 0 °C와 g₀에서 760 mm |
환산은 모두 정확하다. 이 단위들은 전부 정수 계수로 파스칼을 통해 정의되며, 실험으로 보정되는 것은 하나도 없다. 표에서 유일하게 살아 있는 수는 헥토파스칼이다. 밀리바와 수치가 같아서, 기상학은 관측자를 다시 교육하거나 지도를 다시 그리지 않고도 단위를 바꿀 수 있었다.
03 · 자릿수의 규모
압력의 상용로그, 단위는 기압사람이 사는 범위와 일상의 기술
04 · 측정 기기
기압은 무엇으로 재는가
한쪽 끝을 막은 1미터짜리 유리관에 수은을 채워 접시에 거꾸로 세운다. 수은은 평형 높이에서 멈출 때까지 내려가고, 그 위에는 토리첼리 진공 — 사람 손으로 만든 최초의 진공 — 이 남는다. 이 기기는 흠잡을 데 없이 정확하지만 대단히 불편하다. 무겁고, 기울임에 약하며, 수은의 온도와 그 지역 중력에 대한 보정을 요구한다. 대신 교정이 필요 없다. 자가 곧 눈금이기 때문이다.
같은 원리를 계량학의 수준까지 끌어올린 것이다. 접시 아래쪽은 가죽 주머니로 막혀 있고, 나사로 그 수면을 매번 눈금의 영점 — 상아 바늘 끝 — 에 맞춘다. 바늘 끝은 수은에 비친 제 그림자에 겨우 닿아야 한다. 그런 다음에야 기둥의 꼭대기를 버니어로 십분의 일 밀리미터까지 읽는다. 이런 기압계로 20세기 중반까지 교정대의 압력을 정했고, 0도와 표준중력으로 환산한 바로 그 값들에서 101 325라는 수가 자라났다.
수은 대신 공기를 빼낸 납작한 주름 상자를 쓴다. 압력이 오르면 살짝 눌리고 내리면 펴진다. 벽의 움직임은 십분의 일 밀리미터 단위이며, 기기의 묘수는 그 움직임을 바늘의 흔들림까지 키우는 지렛대에 있다. 아네로이드는 들고 다닐 수 있고 떨어뜨려도 되며 현관에 걸어 둘 수도 있다. 다만 세월이 지나면 거짓말을 한다. 용수철이 지치기 때문에 수은 기압계와 맞춰 보아야 한다. 그렇게 같은 하나의 양이 「정확한」 기기와 「편한」 기기를 함께 얻었다.
전화기 속에는 모래알만 한 실리콘 막이 살고 있다. 압력을 받아 휘고, 그 휨과 함께 가장자리 스트레인 게이지의 정전용량이나 저항이 달라진다. 감도는 십 파스칼 남짓, 곧 1미터도 안 되는 높이 차이여서 내비게이션이 1층과 3층을 구분한다. 세상의 기압계는 이제 온도계보다 많아졌고, 수백만 대의 전화에서 모은 그 값들은 이미 일기 예보 모델로 들어가고 있다.
05 · 표기 규칙
소문자 세 글자와 단서 하나
이 단위는 사람 이름에서 오지 않았으므로 기호를 소문자로 쓰고, 접두어를 붙이지 않는다.
대문자 「A」는 수입 장비 카탈로그에 등장하지만, 그것은 언제나 부주의의 표시일 뿐 다른 단위가 아니다. 바는 기압과 1.3퍼센트 다르며, 파스칼로 떨어지는 수를 얻으려고 도입되었다. 기상학은 이미 1930년대에 기압을 버리고 바를 택했고, 예보는 밀리바와 수치가 같은 헥토파스칼로 나간다. 공학용 「at」은 제곱센티미터당 중량킬로그램으로 진짜보다 3퍼센트 작으며, 오래된 문서에서는 atm보다 더 자주 보인다. 오른쪽 마지막 줄은 빠진 것에 관한 이야기다. 「절대」나 「게이지」라는 표시가 없으면 압력 값은 불완전하며, 이것만은 생략할 수 없는 유일한 단서다.
07 · 역사 부분
진공은 어떻게 단위가 되었나
실험 자체는 1분이 걸렸고, 그것을 두고 이십 년을 다투었다. 관 속 수은 위에 당시 상식으로는 있을 수 없는 빈 공간이 생겼기 때문이다. 토리첼리는 한 번에 모두 설명했다. 기둥을 떠받치는 것은 공기의 무게이며, 그 높이는 일정하지 않다 — 날마다 달라졌다. 철학 논쟁을 위해 고안된 기기는 곧바로 날씨를 예보하는 도구가 되었고, 기상학이 진공에서 태어난 유일한 사례가 되었다.
블레즈 파스칼은 이렇게 따졌다. 기둥을 떠받치는 것이 공기라면 산 위에는 공기가 적으니 기둥은 내려가야 한다. 그 자신은 몸이 너무 약해서, 퓌드돔에는 처남 플로랭 페리에가 관 두 개를 들고 올랐다. 하나는 산기슭에 수도사의 감시 아래 두고, 다른 하나를 정상으로 가져갔다. 정상에서 수은은 3인치 1라인만큼 내려갔다. 논쟁은 끝났다. 공기에는 무게가 있고, 높이 오를수록 그 무게는 줄어든다.
마그데부르크 시장 오토 폰 게리케는 구리 반구 두 개를 맞붙이고 자신이 만든 펌프로 공기를 빼낸 뒤, 말 무리에게 떼어 보라고 제안했다. 양쪽에서 여덟 마리씩 끌었으나 해내지 못했다. 지름 반 미터에서 대기는 약 2톤의 힘으로 구를 붙들고 있었다. 넓이에 압력을 곱할 줄 아는 사람이라면 계산은 명백하지만, 그 구경거리는 어떤 유도보다도 잘 설명해 주었고 — 사백 년 동안 교과서에 실렸다.
20세기 중반에 이르러 불편한 사정이 드러났다. 수은 760밀리미터에 기댄 정의는 수은의 밀도와 그 지역 중력을 함께 끌고 다녔는데, 두 값 모두 계속 더 정밀해지고 있었던 것이다. 제10차 국제도량형총회는 이 매듭을 끊고, 기압을 정의에 따라 101 325 파스칼과 같다고 선언했다. 단위는 물질과의 연결을 잃고 단순한 곱수가 되었다 — 훗날 미터가, 이어 킬로그램이 실물에서 떨어져 나온 것과 같은 방식이다.
폐지되었으나 없앨 수 없었던 단위
기압은 SI에 속하지 않으며 사용도 권장되지 않는다. 압력에는 파스칼이 있고, 큰 값에는 그 접두어가 있다. 그럼에도 이 단위는 숫자보다 창밖 공기와의 비교가 중요한 자리에서 버티고 있다. 화학자가 「3 atm에서의 반응」이라고 쓰는 것은 대기압의 몇 배인지가 본질이기 때문이다. 잠수부가 깊이를 기압으로 세는 것은 물 십 미터마다 정확히 하나씩 더해지기 때문이며, 그의 일에서는 이것이 가장 편한 셈이다. 타이어 압력계가 바와 atm으로 함께 눈금 매겨진 것은 둘의 차이가 기기의 오차보다 작기 때문이다. 계량학의 역설은 여기에 있다. 1954년 이후 기압은 측정이기를 그치고 정확한 곱수가 되었다 — 곧 쓰기에 편한 바로 그것이자, 실험으로 검증할 수 없는 바로 그것이다. 검증할 수 있는 것은 기압계이지 단위가 아니다. 파스칼로 교정된 기압계가 정확히 1기압을 가리키는 것은 드문 우연일 때뿐이다. 친척들의 운명도 비슷하다. 수은주밀리미터 역시 파스칼을 통해 정의되었고 역시 살아 있다 — 혈압을 재는 의학의 자리에서. 어떤 권고도 그것을 바꾸지 못했다.
목록 · 측정 단위
물리량마다 한 장씩
SI 기본 단위 일곱, 고유한 이름을 가진 유도 단위 스물둘, 그리고 기술에도 일상에도 빠질 수 없는 SI 외 단위들. 각각 한 장의 시트로 — 정의, 환산, 측정 기기, 표기 규칙. 36개 언어로.
압력: 단위들과 그 이유
하나의 양, 열 남짓한 눈금SI 기본 단위
킬로그램, 미터, 초시트의 언어
36개 언어. 기호 atm은 국제적이지만 익숙한 눈금은 그렇지 않다. 번역에서는 표를 현지 관행에 맞춘다.