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기체의 법칙을 발견한 과학자 ‘로버트 보일’

  • 2014.05.13.
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비행기를 타거나 높은 산에 올라가면 종종 귀가 먹먹해지는 현상을 경험하게 됩니다.

또 풍선이 하늘 높이 올라가면 어느 순간 ‘빵’ 하고 터지는 것을 목격하게 되는데요, 이는 높은 곳일수록 대기압이 약해져, 고막이나 풍선 안의 압력이 대기의 압력보다 커지기 때문에 나타나는 현상입니다.

이런 현상을 ‘보일의 법칙’이라고 말하는데요, 오늘은 이러한 법칙을 발견한 화학자 ‘로버트 보일(Robert Boyle)’에 대해 알아보겠습니다.

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로버트 보일은 1627년 아일랜드 리즈모어에서 코크 백작 리처드 보일의 14번째 아이로 태어납니다.

형제가 많았던 탓인지 보일의 어머니는 그가 8살이 되던 해에 돌아가셨고, 이를 계기로 그는 잉글랜드의 이튼 칼리지로 유학을 떠납니다.

이튼 칼리지에서 3년간 공부를 마친 보일은 프랑스 가정교사와 유럽 여행을 떠나 그곳에서 읽게 된 갈릴레이의 책을 통해 과학에 흥미를 느낍니다.

이후 리처드 보일이 얼마의 유산을 남긴 채 사망하자 보일은 아버지가 남겨준 유산으로 실험실을 만들고, 인비저블 칼리지라는 단체에 소속되는 등 본격적으로 실험 과학활동을 펼치기 시작합니다.

 

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그러다 보일은 1654년 회원들을 따라 옥스퍼드로 거처를 옮기고, 그곳에서 또 다른 과학자 그룹인 옥스퍼드 왕립협회에 참가해 연구 활동을 합니다.

여기서 보일이 최초로 시도한 실험은 J 모양의 유리관에 수은의 양을 조절해 공기의 부피를 측정하는 연구였는데, 이것이 오늘날 ‘보일의 법칙’을 만들어준 기초가 됩니다.

실험 중 보일은 오토 폰 케리케의 공기 펌프에 관한 책을 읽고 영감을 얻어 한층 업그레이드 된 공기 펌프를 개발, 이를 이용해 여러 가지 실험을 거듭했습니다.

그 결과 보일은 1660년 <공기의 탄력에 대한 자극과 그 효과에 관한 새로운 물리역학적 실험들>이라는 논문을 발표합니다.

그리고 2년 뒤인 1662년 <공기의 탄력과 무게에 관한 학설의 옹호>라는 책을 통해 기체의 압력과 부피는 반비례한다는 ‘보일의 법칙’을 발표합니다.

 

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바람이 불면 공기는 힘이 가해지는 방향으로 이동을 하지만, 용기 속의 기체는 모든 방향으로 활발한 운동을 합니다.

이때 기체는 용기 벽에 부딪히는 힘을 갖는데, 이처럼 일정한 넓이 안에서 작용하는 기체의 힘을 우리는 ‘압력’이라고 부릅니다. 만일 외부에서 힘을 가해 기체의 부피를 감소시키면 기체의 공간이 좁아져 기체의 충돌횟수가 증가하게 되는데, 이를 다른 말로 ‘기체의 압력이 증가했다’고 표현합니다.

반대로 부피가 늘어나면 늘어날수록 기체의 충돌횟수가 줄어드는데 이것을 압력이 감소한다고 말합니다. 다시 말해, ‘보일의 법칙’은 일정한 온도에서 기체의 부피와 압력은 서로 반비례한다는 뜻이 됩니다.

 

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이런 보일의 법칙은 우리 생활 곳곳에서 발견할 수 있습니다.

예를 들어, 방문을 닫을 때 창문이 흔들리는 것은 방안 공기의 부피가 줄어들어 나타나는 현상이고, 잠수부가 잠수를 할 때 수심이 깊어질수록 잠수부가 내쉬는 공기의 기포가 작아지는 것은 아래로 내려갈수록 수압이 커져 기포의 부피가 줄어들기 때문입니다.

이밖에도 우리가 흔히 사용하는 스프레이의 압축 원리나, 대기압이 클수록 수은주가 올라가는 수은기압계의 측정원리도 모두 보일의 법칙을 적용한 것입니다.

 

실험 과학에 대한 열정으로 기체의 부피와 압력간의 규칙을 발견한 로버트 보일의 발견은 이후 등장하는 ‘샤를의 법칙’과도 밀접한 관련이 있다고 합니다.

또 보일은 보일의 법칙 이후에도 뉴턴의 원무늬 현상을 발견하고, 화학에 입자철학을 도입하는 등 근대화학의 길을 구축하는데 적잖은 기여를 했습니다. 생활 곳곳에서 보일의 법칙을 발견할 수 있듯이 과학의 세계에 관심을 가져보는 것도 좋을 것 같습니다.

 

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