-압력에 따른 기체 부피 변화!
높은 산 정상에 올라갔을 때 상쾌한 공기를 한껏 들이마시기도 전에 귀가 멍해진 경험, 다들 한 번쯤은 해 본 적이 있을 거예요. 이런 증상은 빠른 속도의 엘리베이터를 타고 고층 건물에 올라갔을 때나, 비행기를 타고 구름 위를 날고 있을 때도 나타나요.
이럴 때 하품을 하거나 침을 삼키면 먹먹해진 귀가 다시 정상으로 돌아오기도 하는데요. 그러나 이는 일시적일 뿐, 우리 귀는 다시 정신을 잃고 멍~해집니다. 과연 높은 곳에 올라갔을 때 귀가 멍해지는 까닭은 무엇일까요?
-이 기사는 <톡톡> 10월호 'STUDY UP'에 4p분량으로 실린 내용의 일부입니다.
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분자로 이루어져 있는 기체
우리 주변에 있는 물질은 눈에 보이지 않는 매우 작은 알갱이로 이루어져 있습니다. 물질의 성질을 가지는 가장 작은 입자를 ‘분자’라고 해요. 미세한 분자들이 모며 연필, 지우개, 옷, 스마트폰 등의 고체가 되고, 액체인 물과 우유의 모습이 되기도 한답니다. 그런데 분자로 이루어져 있는 건 고체와 액체뿐만이
아니에요. 눈에 보이지 않고 만질 수 없는 기체도 사실은 분자로 이루어져 있답니다.
기체는 분자간 거리가 가장 먼 물질!
고체나 액체를 이루는 분자들은 서로 가까운 거리를 유지하고 있어요. 이 분자들은 우리 눈에 보이지 않지만 모두 꿈틀~꿈틀~ 운동하고 있죠. 고체 분자는 제자리에서 진동 운동만 하고 다른 곳으로는 이동하지 못해요. 액체는 분자가 서로 가까이에 있으면서 비교적 자유롭게 운동해요.
기체는 다릅니다. 기체를 이루는 분자들은 서로간의 거리가 매우 떨어져 있고, 분자들이 아주 자유롭고 빠르게 운동해요. 그래서 지금도 날아다니고 있을 공기 중 기체 분자들은 색이 없거나 연한 색을 띄며 투명하게 보이고, 일정한 형태를 가지지 않는 것이랍니다.
그러나 기체가 아무리 자유로워 보여도 무게를 가진 분자이기 때문에, 지표면 근처에 많이 분포돼 있고 높은 곳으로 올라갈수록 양이 적어져요.
■ 고체, 액체, 기체의 분자운동
기체의 성질 ‘힘주면 부피 작아지고, 힘 빼면 커져요’
기체는 분자간 거리가 멀기 때문에 압축하거나 팽창시키기 쉬워요. 예들 들어, 외부에서 조금만 힘을 가해도 기체의 부피가 쉽게 줄어드는데, 이것은 분자 사이사이 넓었던 공간이 압력으로 인해 좁아져 부피가 줄어들기 때문이에요.
공기가 들어 있는 주사기의 입구를 손가락으로 막은 다음 피스톤을 눌러보세요. 압력을 가할수록 기체의 부피가 점점 줄어드는 모습을 볼 수 있어요. 그리고 피스톤을 누르던 힘이 사라지면 주사기 속 공기는 원래 부피로 돌아옵니다.
물론 기체를 이루고 있는 분자들의 수와 크기가 변하는 것은 아니에요. 반대로 외부에서 가하는 힘이 약해질수록 기체 속 분자 사이의 공간은 넓어져서 부피가 늘어나게 돼요. 고체나 액체는 이미 분자들이 오밀조밀 모여 있어서 힘을 주거나 빼도 부피가 쉽게 줄거나 늘어나지 않아요.
영국의 화학자이자 물리학자인 보일(Robert Boyle, 1627~1691)은 알파벳 J처럼 생긴 유리관으로 ‘압력과 기체의 부피 사이에 반비례 관계가 성립’하는 것을 실험으로 증명했어요. 이 법칙의 이름을 ‘보일의 법칙’이라고 불러요.
보일의 법칙
(온도가 일정할 때) 압력이 증가하면 기체의 부피는 감소하고, 압력이 감소하면 기체의 부피는 증가한다.
귀가 멍한 이유? 귀 안에 생긴 기압차 때문!
우리의 귀는 크게 외이, 중이, 내이 이렇게 세 부분으로 나눌 수 있어요. 귓바퀴, 귓구멍을 지나 안쪽으로 들어가면 끝에 고막이 나오는데 여기까지를 외이라고 불러요. 고막 뒤부터 달팽이관 사이는 중이, 그리고 달팽이관부터 나오는 안쪽 기관들을 내이라고 불러요.
■ 귀의 구조
그림으로 보면 고막 안쪽 중이는 공기가 통하지 않고 막혀있는 것처럼 보이지만, 사실은 그렇지 않아요. 중이는 공기로 가득 차 있거든요. 중이 안에는 목구멍과 연결된 유스타키오관이라는 것이 있는데, 이 기관이 공기를 적당히 넣었다 뺐다 하면서 압력을 조절해 줍니다.
높은 곳은 지표면보다 공기의 양이 부족하다고 했죠? 공기가 적어지면 그만큼 공기의 무게가 누르는 힘인 ‘기압’도 감소해요. 따라서 외이도(바깥귀길)로 들어오는 기압도 줄어듭니다. 그런데 이렇게 되면 상대적으로 중이 안 기압이 바깥보다 세지겠죠.
이에 따라 기압이 강한 중이 쪽에서 약한 외이 쪽으로 고막이 밀려나게 됩니다. 얇고 투명하게 생긴 고막은 전달된 소리를 진동시켜 귀 안쪽으로 보내는 역할을 해요. 그러나 밀려난 고막은 소리를 제대로 진동시키지 못해요. 이 때문에 귀가 멍해지고 심하면 찢어질 듯이 아픈 통증이 생기는 거예요.
그런데 침을 삼키거나 하품을 하면 잠시나마 증상이 사라지죠? 그 이유는 공기를 넣었다 뺐다 하는 유스타키오관이 열려 일시적으로 바깥쪽과 안쪽의 기압이 맞춰지기 때문이랍니다.
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*에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=31930