보일의 J자관 실험 -보일의 법칙과 입자설 증명

보일의 J자관 실험.

보일의 법칙과 관련된 실험이지만 내가 관심 가진 이유는 물질관에 있다.

아리스토텔레스의 연속설이 아닌, 데모크리토스의 입자설을 인정한 실험이기도 해서이다.

이 실험이 왜 입자설을 증명해주는지 의문을 가지게 되어서 찾아보았다.

아직 확실하게 이해된 건 아니지만,

일단 최선을 다해서 설명해보기로 한다.

J자관 실험에서, 처음 수은 기둥의 높이는 왼쪽이나 오른쪽이나 똑같다.

 

높이가 같다는 것이 어떤 의미이냐면,

바로 압력이 같다는 것.

즉, 왼쪽 기둥과 오른쪽 기둥에 작용하는 기체 압력이 같다는 것.

그림으로 알아보자.

 

왼쪽 수은기둥을 누르고 있는 기체 내부 압력이 없다고 가정하자.

그러면 어떻게 될까?

오른쪽 기둥을 누르고 있는 대기압에 의해 왼쪽 수은 기둥의 높이가 계속 쭉쭉~ 올라갈 것이다.

 

하지만 실제로 위 그림처럼 높이가 일정한 이유는

오른쪽 대기압을 버틸 만한 힘, 즉 왼쪽 수은기둥의 기체 내부 압력이 존재하기 때문이다.

 

대기압은 1atm이므로, 왼쪽의 기체 내부 압력 역시 1atm으로 똑같이 수은을 밀고 있다는 것을 알 수 있다.

[대기압 = 기체 내부의 압력]

간단하게 말하면 대기압과 기체 내부 압력이 서로 평형을 이룬 상태.

  

이제 실험하자..

오른쪽 입구로 수은을 추가해보자.

당연히! 수은의 양이 많아지고, 수은의 높이가 올라간다.

이 때 중요한 것!! 바로 수은의 높이.

왼쪽 기둥과 오른쪽 기둥의 높이가 다르다.

여기서 중요하고도 간단한 질문을 해 볼 수 있다.

왜 왼쪽과 오른쪽 기둥의 높이를 다른 걸까?

어째서 왼쪽과 오른쪽의 기둥의 높이가 같지 않을까?

 

위 그림은 잘못된 그림. 실제 실험결과가 당연하지 않다는걸 설명하기 위해 첨부함.

실제로 수은을 부으면 아래 그림처럼 높이가 다르게 된다.

천천히 생각해보자.

 

첫번째 질문.

"수은을 추가했더니, 왼쪽 수은 기둥이 올라간 이유는?"

답: [왼쪽 기체 내부의 압력 > 오른쪽 기둥의 대기압 + 추가된 수은의 힘]

설명:

수은을 추가하기 전, 왼쪽과 오른쪽 압력의 크기가 같았는데,

수은을 추가하면서 오른쪽 압력의 크기가 왼쪽보다 커지면서

왼쪽 수은이 밀린거다.

 

 

두번째 질문.

"왼쪽 수은이 더 이상 올라가지 않은 이유는? (오른쪽과 높이가 같아질때까지 계속 올라가지 않는 이유는?)"

일단, 더 이상 높이 변화가 없다는 건,

[왼쪽의 압력 = 대기압 + 추가된 수은의 힘]

이라는 말이다.

압력이 서로 평형을 이루니까 수은의 높이가 더이상 변하지 않는 것.

 

여기서 잠시.
보일의 법칙을 생각해보자.

보일의 법칙은 일정한 온도에서 기체의 압력과 그 부피는 서로 반비례한다는 내용이다.

수식으로 표현하자면 PV=k (P:압력, V:부피, k:비례상수)

쉽게 말하면, 기체의 부피가 줄어들면 압력이 증가한다는 것.

 

J자관 실험에서 보일의 법칙과 관련하여 생각해볼 수 있다.

수은이 추가된 상태에서, 어째서

[왼쪽의 수은 기둥의 기체 내부 압력 = 오른쪽 대기압+추가된 수은의 힘]

이 되는지 보일의 법칙을 통해 설명할 수 있는 것이다.

 

수은을 추가하자 압력을 서로 맞추기 위해 왼쪽 기둥의 수은 높이가 올라간다.

그렇게 되면 왼쪽 수은 기둥 내부의 기체 부피가 줄어드므로,

그 기체의 압력은 증가하는 것이다.

부피가 줄어들수록 압력이 증가하게 되므로,

오른쪽 압력과 같아질 때까지만 부피가 줄어드는(높이가 올라가는) 것이다.

그렇기 때문에 수은 기둥의 높이가 어느 정도 이상으로는 더이상 올라가지 않는 것이다.

 

이제 실험에 대한 설명은 끝났다..

가장 중요한 게 남았는데, 내가 보일의 J자관 실험에 관심을 가진 이유.

이게 왜 데모크리토스의 입자설을 증명하는 건데?

아마도 이렇게 생각해야 할 것 같다.

보일의 J자관 실험을 설명하기 위해서는, 데모크리토스의 입자설이 필요한 것.

아리스토텔레스의 연속설로는 이 실험을 설명할 수 없지만

입자설을 이용하면 설명할 수 있었던 거다..

 

연속설이 맞았다면 추가된 수은기둥의 높이는 왼쪽 오른쪽 모두 같을 것이다.

높이가 다를 이유가 없기 때문. 단지 왼쪽 기둥의 기체의 농도가 진해졌을 뿐이니까.

 

하지만 실험결과는 수은기둥의 높이가 어느정도까지만 올라갔다.

입자설을 통해서 충분히 설명 가능.

기체가 입자로 이루어졌다면, 그러니까 공기는 입자와 그 입자가 운동할 수 있는 빈 공간으로 이루어졌다면,

보일의 법칙이 설명되고, 그걸 통해 보일의 J자관 실험 역시 설명되는 것.

결과적으로 이 실험은 물질이 입자로 되어있다는 것(입자설)을 증명한 게 된 것이다.