2020-10-27 Tue
 
밀도와 비중량 그리고 비중의 차이 개념의 이해...
2020-10-05 10:14 21
 우리는 밀도와 비중량과 비중의 개념을 종종 혼돈되어 사용하곤 한다. 이들 특성치는 콘크리트 배합 설계의 기초, 위험물의 특징, 보존 방법, 소화 방법 등에도 영향을 미치고 있다. 이공계 학생이라면 대학에서 유체 역학을 공부한다. 과목을 배우는 이유는 유체에 대한 기본적인 특성값들을 이해하는 것뿐 아니라, 공학적으로 개념이 매우 중요하기 때문이기도 하다. 그래서 밀도, 비중량, 비중 등을 이번 기회에 정리하면 좋을 것 같아서 요약하여 본다. 
 밀도는 우리가 평소 자주 듣는 말 중에서 인구 밀도가 있다. 인구 밀도는 단위 면적 1 km² 당에 거주하는 사람의 수를 말한다. 예를 들어, 서울의 인구는 세계적인 도시인 런던과 도쿄보다도 밀도가 무려 4배 높고, 미국 같은 나라의 대도시들보다는 8배 더 높은 수준이다. 인구 밀도가 높다는 것은 땅 규모와 비교해 인구가 많다는 뜻이다. 밀도란 물질의 단위 부피당의 질량으로 표시된다. 그리고 단위는 kg/m³나 g/cm³를 사용한다. 보통의 물질은 기체가 액체로 상태 변화할 때와 같이, 일정 질량 하에서 부피(체적)가 감소하면 밀도는 커진다. 부피는 기체, 액체, 고체의 순서대로 작아지므로, 그것에 따라 밀도는 기체, 액체, 고체 순서대로 커진다. 우리는 밀도를 일상생활에서도 무의식적으로 느끼고 살고 있다. 예를 들면, 철은 무거운 이미지가 있고, 플라스틱은 가벼운 이미지가 있듯이.... 이것은 결국 밀도의 차이를 직관적으로 인식하고 있기 때문이다. 
 얼음은 물보다 가볍다는 사실.... 물(H₂O)은 고체(얼음)일 때가 액체(물)일 때보다 부피가 커진다 (밀도가 작아진다)라는 특수한 성질을 가지고 있다. 1 기압 4℃ 때에 부피가 최소화되고, 밀도는 최대 (1g/cm³)가 된다. 즉, 같은 부피라면 4℃ 일 때 가장 무겁다. 음료에 넣은 얼음이 뜨고, 빙산이 바다에 뜨고 있는 것도 얼음이 물보다 가볍기 때문이다. 또한, 겨울에 호수에 얼음이 얼어도 호수 전체가 얼어 버리는 경우는 없다. 이것은 얼음 쪽이 물보다도 밀도가 가벼워 호수의 표면에서 얼기 시작하기 때문에 생기는 현상이다. 반대로, 물의 밀도가 얼음보다 작으면 호수의 밑바닥에서 얼기 시작하여 물고기도 살아있을 수 없다. 호수에 사는 물고기가 겨울에도 살아있을 수 있는 것은 물의 밀도의 특수성 때문이다. 리튬은 고체 단체 중 가장 가벼운(가장 밀도가 작은) 것으로 알려져 있고, 그 밀도는 0.534g/cm³이다. 철의 밀도는 7,874kg/m³, 알루미늄의 밀도는 2,700kg/m³, 물의 밀도(4℃ 일 때)는 1,000kg/m³이다. 이처럼 밀도는 물질의 상태에 따라 달라진다. 예를 들어, 물이 얼음으로 변화하면 부피는 크지만, 밀도는 작아진다. 물이 담긴 컵에 얼음을 넣으면 물에 뜬다. 이것은 얼음이 더 밀도가 작기 때문이다. 즉, 밀도는 상태량을 나타내고 물질의 종류와 온도 그리고 압력에 따라 변화하는 것이다.
 비중량은 밀도와 비슷하지만, 밀도가 단위 체적당의 질량임에 대해서, 비중량은 단위 체적당의 무게(중량)를 나타낸다. 아래의 식으로 구할 수 있다. 

y = G / V = Mg / V = pg

 여기에서, 무게(중량)는 G로 표시되고, 이 무게 G는 질량 M에 중력가속도 g를 곱한 값이다. 1kg의 질량의 지구에서의 무게는 1kgf이므로, 밀도와 비중량은 같은 값이 된다. 그럼 질량과 무게의 차이는 무엇인가? 질량은 물질 자체가 보유하고 있는 양이다. 설탕 1g, 물 1kg 등 무게는 물질이 작동하는 중력의 크기이다. 지구에는 중력이 작용하고 있다. 달에는 인력이 작용하고 있지만, 지구의 1/6의 힘이다. 따라서, 지구상에서는 물 1kg의 질량은 1kg, 중량은 1kgf, 달에서는 물 1kg의 질량은 1kg, 무게(중량)는 1/6kgf 이다. 질량은 물질 자체가 보유하고 있는 양이므로, 지구에서도 달에서도 같은 값이 되지만, 무게는 그 물체에 작용하는 중력의 크기이므로, 지구에서 60kgf의 무게를 가진 사람은 달에서는 10kgf이 된다는 것이다. 
 비중은 물과의 비교, 공기와의 비교의 개념이다. 비중이란 어떤 물질의 질량과 기준 물질의 질량과의 비율(또는, 어떤 물질의 밀도와 4℃ 물의 밀도의 비율)을 말한다. 예를 들면, 철의 밀도는 7,874kg/m³, 물의 밀도 (4℃의 때)는 1,000kg/m³이기 때문에 철의 비중은 다음 식으로 계산된다. 

철의 비중 = 철의 밀도 / 물의 밀도 = 7874 / 1000 = 7.8

비중이 1보다 클 경우, 물에 잠기고, 비중이 1보다 작을 경우, 물에 뜬다. 비중은, 물에 대한 비교이기 때문에 단위는 존재하지 않는다. 기준 물질에는 통상, 물이나 공기를 이용할 수 있다. 액비중은 물보다 무거운 것일지 가벼운 것인가.... 고체나 액체의 비중을 액비중이라고 말한다. 기준 물질로서 1기압, 4℃에서 같은 체적의 물을 사용할 수가 있다. 단지, 비중과 같았을 때는 액비중을 가리킨다. 어떤 고체 또는 액체의 물질이 물의 질량 몇 배일지를 나타내고 있다. 비중이 1보다 클 것인가 아닌가(물보다 무거울 것인가 아닌가)는, 위험물의 보존 방법이나 소화 방법에 깊게 영향을 미친다. 실제 예를 살펴보자. 이황화탄소(CS₂)의 수중 저장 경우.... 이황화탄소는 물보다 무겁고 물에 녹지 않는 성질을 이용하여 수중에 저장하여 가연성 증기의 발생을 방지하고 있다. 그리고 제 4류 위험물(인화성 액체)의 소화 방법 중에서 가솔린 등의 많은 제4류 위험물(인화성 액체)은 물보다 가볍기 때문에 화재 시 물을 가하면 점화된 위험물이 물 위에 퍼져 연소 면적이 넓어지는 위험성이 있다. 증기 비중은 공기보다 무거운지 가벼운지를 나타낸다. 기체의 비중을 증기 비중이라고 한다. 기준 물질로서 표준 상태 (1기압, 0℃)에서 같은 부피의 공기가 사용된다. 즉, 어느 기체의 물질이 공기의 질량의 몇 배인지를 나타내는 것이다. 증기 비중이 1보다 클 것인가 아닌가 (공기보다 무거울 것인가 아닌가)는 위험물 증기의 인화 위험에 관여한다. 실제 예를 살펴보자. 휘발유를 비롯한 제4류 위험물 (인화성 액체)의 증기 비중은 1보다 크고, 공기보다 무겁기 때문에 낮은 곳에 모이는 성질이 있다. 그중에서도 제2 석유류에 포함된 테러핀 기름의 증기 비중이 제4류 위험물 중 가장 크다고 (4.7) 것으로 알려져 있다. 그 증기는 가연성 인화의 위험이 있기 때문에 환기를 충분히 하여 화재 예방을 해야 한다. 지금까지 밀도와 비중량 그리고 비중의 차이 개념에 대하여 기술했다. 조금이라도 이해되었다면, 차기에는 시멘트 밀도에 관하여 공부해보자. (이상)
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