1. 다이버가 반드시 알아야 할 물리 법칙
   1. 부압의 원리 (Archimedes’ Principle)
   2. 보일의 법칙 (Boyle’s Law)
   3. 달톤의 법칙 (Dalton’s Law)
   4. 헨리의 법칙 (Henry’s Law)
2. 추가적인 물리 법칙
   1. 찰스의 법칙 (Charles’s Law)
   2. 가이-루사크의 법칙 (Gay-Lussac’s Law)
   3. 팔색체의 법칙 (Graham’s Law)
   4. 가스 확산의 법칙 (Diffusion of Gases)

스쿠버 다이빙을 배울 때 알아야 하는 물리 법칙들은 여러가지가 있습니다.

그 중에서도 반드시 알아야 할 물리 법칙 네 가지와 알아두면 다양한 상황에 대해 더 잘 이해하고 대응할 수 있는 물리 법칙 네 가지를 더하여 총 여덟 가지 물리 법칙에 대해 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

1. 다이버가 반드시 알아야 할 물리 법칙

아르키메데스의 원리 (Archimedes’ Principle)

이 원리에 따르면, 물 속에 있는 물체는 그 물체가 밀어낸 물의 무게 만큼의 힘을 받게 됩니다. 이 원리는 유조선과 같이 큰 선박들이 수면에 떠있을 수 있는 이유를 설명해줍니다.

보일의 법칙 (Boyle’s Law)

이 법칙은 가스의 부피가 압력에 반비례하며, 온도가 일정할 때에만 적용된다는 것입니다. 이 원리는 다이버가 호흡할 때, 가스 탱크의 압력, 귀의 압력 평형 등에 영향을 미칩니다.

달톤의 법칙 (Dalton’s Law)

이 법칙은 혼합 가스의 총압력이 각 가스들의 부분압력의 합과 같다는 것을 설명해줍니다. 이 법칙은 다이빙 시 사용하는 혼합 가스의 선택에 중요한 역할을 합니다.

예를 들어, 우리가 공기를 숨쉬는데, 공기는 대략적으로 질소 78%, 산소 21%, 아르곤 0.9%, 그 외의 기타 가스들로 구성되어 있습니다.

이 때, 공기의 총압력이 1기압(약 1013.25hPa)이라고 가정하면, 각 가스의 부분압력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

• 질소의 부분압력: 1기압 * 78% = 0.78기압
• 산소의 부분압력: 1기압 * 21% = 0.21기압
• 아르곤의 부분압력: 1기압 * 0.9% = 0.009기압
• 그 외 기타 가스들의 부분압력은 나머지로 계산됩니다.

이렇게 각 가스의 부분 압력을 모두 더하면 공기의 총 압력인 1기압이 됩니다. 이 원리는 스쿠버 다이빙에서 사용하는 호흡 기체를 선택하거나 혼합할 때 중요하게 적용됩니다.

헨리의 법칙 (Henry’s Law)

이 법칙에 따르면, 온도가 일정할 때 가스의 용해도는 그 가스의 부분압력에 비례합니다. 이 법칙은 갑압병의 원인을 이해하는데 도움이 됩니다.

(위 네 가지의 법칙은 모두 온도가 일정할 때를 가정하고 있습니다.)

2. 추가적인 물리 법칙

샤를의 법칙 (Charles’s Law)

이 법칙은 온도가 상승하면 가스의 부피도 증가하고, 온도가 하락하면 가스의 부피도 감소한다는 것을 설명해줍니다. 이 법칙은 다이빙 장비의 보호와 관리에 중요한 역할을 합니다.

샤를의 법칙은 기체의 부피와 온도 사이의 관계를 설명합니다. 이 법칙은 “기체의 압력이 일정할 때, 기체의 부피는 절대온도에 비례한다”라고 말합니다.

예를 들어, 0℃(273.15K)에서 1리터 부피를 가지는 기체가 있다고 가정해봅시다. 이 기체를 가열하여 온도를 100℃(373.15K)로 올렸다면, 샤를의 법칙에 따라 기체의 부피는 어떻게 변할까요?

샤를의 법칙에 따라, 기체의 부피는 온도에 비례하므로, 온도가 0℃에서 100℃로 증가했을 때, 기체의 부피도 (373.15/273.15)배 증가하게 됩니다. 즉, 기체의 부피는 약 1.37리터로 증가하게 됩니다.

이 법칙은 핫 에어 풍선(기구)을 날리는 원리를 이해하는 데도 도움이 됩니다. 풍선 안의 공기를 가열하면 공기 부피가 증가하고, 따라서 풍선은 부력을 얻어 올라갈 수 있습니다.

가이-루사크의 법칙 (Gay-Lussac’s Law)

이 법칙은 일정한 압력 하에서 가스의 부피가 절대 온도에 비례한다는 것을 설명해줍니다. 이 법칙은 다이빙 시 사용하는 공기의 압력과 부피를 계산하는 데 도움이 됩니다.

(위 두 가지의 법칙으로 인한 현상은 흔히 볼 수 있습니다.)

호흡기체 탱크에 고온의 압축된 기체가 충전되면 높은 온도로 인하여 200~205bar의 압력으로 충전되었다 하더라도 잠시 후 호흡기체 탱크의 온도가 내려가면 원래 충전했던 압력보다 조금 떨어지기 때문에 간혹 경험이 부족한 다이버는 200bar가 아닌 195~199bar의 호흡기체 탱크에 장비를 조립하고 당황해 하기도 합니다.

이런 일은 대부분 외부 온도가 추운 날씨에 더 쉽게 볼 수 있습니다.

즉, 충전된 기체의 온도가 변하면 그에 따라 기체의 압력도 변한다는 것을 이해해야 합니다.

그렇다면 만약 충전된 기체가 1℃가 낮아지면 얼마 만큼의 기체 압력 손실이 발생 할까요?

이 질문에 정확하게 답하기 위해서는 가스의 초기 온도를 알아야 합니다. 이 정보 없이는 정확한 압력 변화를 계산할 수 없습니다.

예를 들어, 가스의 초기 온도가 20℃(293.15K)라고 가정하면, 1℃ 온도가 낮아졌을 때의 압력 변화를 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

변화 전 후의 압력과 온도의 비는 같다는 원칙에 따라,

P1/T1 = P2/T2

여기서 P1은 초기 압력(200bar), T1은 초기 온도(293.15K), P2는 최종 압력, T2는 최종 온도(292.15K)입니다.

이를 통해 P2를 구하면,

P2 = P1 * T2 / T1 = 200bar * 292.15K / 293.15K ≈ 199.31bar

따라서, 약 1℃ 온도가 낮아졌을 때 압력은 대략 0.69bar 정도 낮아질 것으로 예상됩니다.

물론 정확한 값은 초기 온도와 실제 가스의 상태 등에 따라 달라질 수 있습니다.

일반적으로 고압 콤프레셔로 기체를 충전하는 과정에서 호흡기체 탱크의 온도는 40℃에서 60℃ 이상 까지도 상승하게 됩니다.

위의 예로 1℃ 온도가 낮아지는 것을 가정 하였지만 만약 여러분이 찬물 다이빙(Cold Water Diving)이나 아이스 다이빙(Ice Diving)을 하게 된다면 국내 기준으로 외부 온도는 영하 -20℃ 이하인 경우도 흔하게 접할 수 있습니다.

그렇기 때문에 바로 막 충전된 호흡기체 탱크는 주변 온도와 같이 식으면서 충전된 기체의 온도와 압력이 안정화 된 후에 실제 사용 가능한 기체의 양을 다시 한번 확인 해야 합니다.

만약 이러한 안정화 과정을 거치지 않고 곧바로 다이빙을 시작하면, 호흡기체 탱크 내의 기체가 식으면서 압력이 급격히 떨어져 다이빙 중 문제를 일으킬 수 있습니다.

그레이엄의 법칙 (Graham’s Law)

이 법칙에 따르면, 기체의 분자 운동 속도는 그 기체의 절대 온도의 제곱근에 비례합니다. 이 법칙은 다이빙 중에 발생할 수 있는 기체 부피 변화를 이해하는 데 중요합니다.

그레이엄의 법칙은 이상 기체를 대상으로 한다는 점에서 한계가 있지만, 기체분자 간의 확산이나 퍼짐에 대한 기본적인 이해를 돕습니다. 이 법칙은 기체의 확산 속도가 그 기체의 분자량의 역제곱근에 비례한다는 것을 의미합니다.

(여기서 말하는 ‘이상 기체’는 기체의 행동을 이론적으로 이해하기 위해 만든 가상의 모델을 말합니다. 이상 기체는 다음과 같은 가정에 기반합니다.)

1. 기체는 아주 작은 입자들로 이루어져 있으며, 이 입자들은 공간을 차지하지 않는다.
2. 이 입자들은 서로에게 영향을 주지 않는다. 즉, 입자 간의 상호작용이 없다.
3. 입자들은 무작위하게 움직이며, 이 움직임은 열 운동에 의해 발생한다.
4. 입자들은 서로 완전히 탄성적으로 충돌한다. 이는 충돌 전후의 총 에너지가 보존된다는 뜻입니다.

예를 들어, 헬륨(He)과 아르곤(Ar) 기를 생각해봅시다. 헬륨의 분자량은 약 4 g/mol이고 아르곤의 분자량은 약 40 g/mol입니다. 이 두 기체가 동일한 조건에서 확산을 시작한다면, 헬륨의 확산 속도는 아르곤의 확산 속도보다 얼마나 빠를까요?

그레이엄의 법칙에 따라 계산하면, 헬륨의 확산 속도는 아르곤의 확산 속도보다 분자량의 역제곱근에 비례하여 빠르게 됩니다. 즉, √(40/4) = 2배 빠르게 확산합니다. 그러므로 헬륨은 아르곤보다 대략 2배 빠르게 확산하게 됩니다.

이 원리는 예를 들어 풍선을 불었을 때 헬륨이 들어간 풍선이 공기보다 빠르게 빠져나가는 이유를 설명해줍니다. 헬륨 분자의 무게가 공기 분자의 무게보다 훨씬 가벼워서 헬륨이 더 빠르게 확산되는 것입니다.

기체 확산의 법칙 (Diffusion of Gases)

이 법칙은 가스가 높은 농도에서 낮은 농도로 이동하려는 경향이 있다는 것을 설명해줍니다.

기체 확산의 예를 산소(O2), 질소(N2), 그리고 헬륨(He)로 설명하고, 이를 감압병과 연결해 보겠습니다.

산소의 분자량은 약 32 g/mol, 질소의 분자량은 약 28 g/mol, 헬륨의 분자량은 약 4 g/mol입니다. 이 세 기체가 동일한 조건에서 확산을 시작했다고 가정해봅시다.

팔색체의 법칙에 따라 이들 기체의 확산 속도는 분자량의 역제곱근에 비례합니다. 따라서, 헬륨, 산소, 질소의 확산 속도를 비교하면 이런 결과가 나옵니다:

1. 헬륨: √(32/4) = 2.83배 (산소에 비해), √(28/4) = 2.65배 (질소에 비해)
2. 산소: √(28/32) = 0.94배 (질소에 비해), √(4/32) = 0.35배 (헬륨에 비해)
3. 질소: √(32/28) = 1.07배 (산소에 비해), √(4/28) = 0.38배 (헬륨에 비해)

즉, 같은 조건에서 세 가지 기체가 확산을 시작하면 헬륨이 가장 빠르게 확산되고, 그 다음으로 질소, 그리고 마지막으로 산소가 확산될 것입니다. 이는 헬륨 분자의 무게가 가장 가벼워서 그런 것입니다.

이 원리는 감압병과도 관련이 있습니다. 스쿠버 다이빙 중에는 인체 내부에 산소와 질소가 고압 상태에서 흡수됩니다. 수면으로 빠르게 올라오면서 주변 압력이 급격히 낮아지면, 이 기체들이 팔색체의 법칙에 따라 빠르게 확산되어 피와 조직에서 벗어나려 합니다.

특히, 질소는 산소보다 무거운 분자량을 가지지만, 그래도 충분히 빠르게 확산되어 ‘기포’를 형성하며, 이 기포들이 혈관을 막거나 조직에 손상을 주어 감압병의 증상을 유발합니다.

따라서, 스쿠버 다이빙 등에서는 안전하게 다이빙을 마치기 위해 충분한 감압 시간을 가져 기체가 천천히 확산될 수 있도록 해야 합니다. 이는 팔색체의 법칙을 통해 기체의 확산 속도를 이해하고 그에 따라 대응하는 것이 중요함을 보여줍니다.

이로써 다이버가 반드시 알아야 할 부압의 원리, 보일의 법칙, 달톤의 법칙, 헨리의 법칙 네 가지 법칙과 알아두면 도움이 될 찰스의 법칙, 가이-루사크의 법칙, 그레이엄의 법칙, 가스 확산의 법칙 네 가지 법칙으로 여덟 가지의 다이빙 물리 법칙에 대해 알아 보았습니다.

물론, 이 모든 물리 법칙을 완벽하게 이해하고 있어야만 스쿠버다이빙을 할 수 있는 것은 아닙니다.

하지만 어느 정도는 알고 있으면 다이빙 중 발생할 수 있는 다양한 상황에 대해 적절하게 잘 적용하는 것은 본인 스스로 안전하게 다이빙을 즐기는 데 큰 도움이 될 것 입니다.

또한 뒤에 네 가지의 법칙은 테크니컬 다이빙 활동을 하게 될 경우에는 또 반드시 알아야 할 법칙들 입니다.

다음 2편에서는 위 물리학자들에 대해 알아보도록 하겠습니다.