절대압·계기압·진공압

왜 배우는가: 배관과 펌프 설비에서는 같은 압력이라도 기준점을 어디에 두느냐에 따라 숫자가 달라진다. 펌프 흡입 높이, 진공 발생, 압력계 판독을 바르게 해석하려면 절대압력·계기압력·진공압력의 관계를 알아야 하며, 이 관계는 1교시 용어 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제116회 1교시 2번, 제96회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 절대압력은 완전진공을 기준으로 잰 압력이고, 계기압력은 대기압을 기준으로 잰 압력이며, 진공압력은 대기압보다 낮은 압력을 대기압과의 차로 나타낸 값이다.

핵심 키워드

• 절대압력
• 계기압력
• 진공압력
• 대기압
• 완전진공
• 진공도
• 압력 기준점

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 압력계 바늘이 0을 가리킬 때 그 압력은 주변 공기 압력과 같다. 압력계의 0점을 어디에 맞추느냐가 세 가지 압력을 구분하는 기준이다.

정식 정의는 다음과 같다. 절대압력은 완전진공(압력이 0인 상태)을 기준으로 잰 실제 압력이다. 절대압력은 항상 0 이상의 값을 가진다. 음의 절대압력은 유체에 인장이 생긴다는 뜻이므로 성립하지 않는다.

계기압력은 대기압을 기준(0)으로 잰 압력이다. 일반 부르돈관 압력계가 표시하는 값이 여기에 해당한다. 대기압보다 높으면 양의 값, 낮으면 음의 값이 된다.

진공압력은 절대압력이 대기압보다 낮을 때, 대기압과의 차이를 크기로 나타낸 값이다. 계기압력이 음수일 때 그 절댓값을 쓰며, 이 크기를 진공도라고도 한다. 진공도는 기준이 대기압이라는 전제에서의 크기이므로, 대기압이 다른 곳에서는 같은 절대압력이라도 진공도 숫자가 달라진다.

세 압력의 관계식은 다음과 같다.

$P_{abs} = P_g + P_{atm}$

P_{abs}는 절대압력(kPa), P_g는 계기압력(kPa), P_{atm}은 대기압(kPa)이다. 세 값은 같은 단위계로 맞춘다. 해수면 표준대기압은 101.325kPa(1atm)이며, 같은 값을 760mmHg, 14.7psi로도 쓴다.

진공압력 P_v는 다음과 같다.

$P_v = P_{atm} - P_{abs}$

이 식은 P_{abs} < P_{atm}일 때만 성립한다. 계기압력으로 나타내면 P_v = -P_g 이다.

계산 예를 들면, 해수면(대기압 101.3kPa)에서 절대압력 50kPa인 용기의 계기압력은 P_g = 50 - 101.3 = -51.3 이고, 진공압력은 51.3kPa이다. 대기압의 약 절반 수준의 진공이므로 상식 범위에 맞는다.

영국 단위계에서는 절대압력을 psia, 계기압력을 psig로 구분해 표기한다. 표기만 봐도 기준점이 어디인지 알 수 있다.

완전진공은 압력이 0인 이론적 상태다. 실제 장치에서는 완전진공에 가까운 저압을 만들 수 있을 뿐이고, 절대압력은 그 저압을 0에서 잰 값으로 읽는다. 진공계는 기준을 대기압에 두는 경우가 많아, 절대압력과 읽는 값이 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

대기압은 고정된 값이 아니다. 해수면에서 표준값을 쓰지만, 고도가 높아지거나 기상이 바뀌면 대기압이 변한다. 대기압이 바뀌면 같은 장치에서 계기압력이 바뀌고, 실제 압력 상태가 변하지 않아도 계기 판독값만 달라진다. 이처럼 계기압력은 주변 조건에 따라 흔들리므로 열역학과 유체 계산의 기준으로 쓰기에 불충분하다.

반면 절대압력은 기준점이 완전진공으로 고정되어 있다. 고산지대로 올라가면 타이어의 계기압력은 올라가지만 타이어 내부의 절대압력은 거의 변하지 않는다. 이 현상 때문에 기체 상태 계산(예: PV = nRT)과 증기표 조회에는 절대압력을 써야 한다. 계기압력을 그대로 대입하면 계산 결과가 틀린다.

설비 현장에서는 두 기준이 섞여 쓰인다. 보일러 드럼과 급수 배관의 압력계는 대부분 계기압력을 표시한다. 펌프 흡입 측과 응축기, 진공 탈기 장치처럼 대기압보다 낮은 압력을 다루는 곳에서는 진공계나 절대압 계기를 쓴다. 두 계기를 같은 기준으로 읽으면 흡입 양정이나 포화온도를 잘못 산정하게 된다.

특히 펌프 흡입 측은 대기압과 흡입 압력의 차이로 액체가 올라가는 구조다. 토리첼리 실험에서 수은은 대기압과 평형을 이루는 높이 약 760mm까지 올라간다. 같은 원리로 물은 약 10.33mAq 높이까지 올라가며, 이 값이 펌프 흡입 높이의 이론적 상한이다. 실제 흡입 가능 높이는 마찰손실과 증기압을 빼고 정해진다.

따라서 설비 설계와 점검에서 압력을 읽을 때는 기준점부터 확인해야 한다. 기준을 명시하지 않은 압력값은 계산에 쓸 수 없다. 절대압력, 계기압력, 진공압力의 관계를 알고 있어야 기준 혼동에서 생기는 설계 오류와 오판독을 막을 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

압력은 기준점에 따라 세 가지로 나뉜다. 절대압력(Absolute Pressure)은 완전진공을 0으로 잡은 압력이고, 게이지압력(Gauge Pressure)은 대기압을 0으로 잡은 압력이다. 진공도(Vacuum Degree)는 게이지압력이 음수일 때 그 절댓값을 말한다. 기준점이 대기압만큼 다르므로 세 압력은 대기압 한 값으로 연결된다.

원리 절대압력은 유체가 실제로 받는 압력이다. 완전진공보다 낮은 절대압력은 존재하지 않는다. 음의 절대압력은 유체에 인장이 작용한다는 뜻이므로 불가능하다. 게이지압력은 압력계가 표시하는 값이다. 압력계는 대기압을 기준으로 눈금을 맞추므로 대기압이 변하면 같은 절대압력이라도 게이지압력이 달라진다. 예를 들어 산을 오르면 대기압이 낮아져 타이어 게이지압이 올라가지만, 타이어 안의 절대압력은 거의 변하지 않는다.

절대압력은 게이지압력에 대기압을 더한 값이다.

$P_{abs} = P_g + P_{atm}$

$P_v = P_{atm} - P_{abs} \quad (P_{abs} < P_{atm}\text{일 때})$

P_{abs}는 절대압력(Pa), P_g는 게이지압력(Pa), P_{atm}은 대기압(Pa), P_v는 진공도(Pa)다. 진공도 식은 게이지압력의 음수 표기와 같은 뜻이다. 예를 들어 대기압이 30inHg인 곳에서 진공계가 26inHg를 가리키면 절대압력은 30 - 26 = 4inHg이다.

절차 압력 환산은 다음 순서로 한다.

• 압력계가 게이지압력인지 절대압력인지 눈금 표시를 확인한다.
• 현장 대기압을 기압계로 읽거나 표준대기압을 적용한다.
• 게이지압력이면 대기압을 더해 절대압력을 구한다.
• 계산한 절대압력이 대기압보다 작으면 진공 상태로 판정하고 진공도를 표기한다.
• 계산값이 0 미만이 나오면 측정값 또는 대기압 입력의 오류로 보고 재확인한다.

관련 도식은 아래와 같다.

펌프 흡입도 같은 원리다. 흡입관 안이 진공이 되면 대기압이 액체를 관 안으로 밀어 올린다. 물의 경우 이론적으로 약 10m까지만 올릴 수 있으므로 펌프는 가능한 한 낮게 설치한다.

5. 관련 법령·기준·표준

압력 단위와 환산 관계는 물리 법칙이므로 기준마다 값이 달라지지 않는다. 다만 압력계의 교정과 표시 방식은 표준 체계를 따른다. 압력계 교정에서 분동식 압력계(데드웨이트 테스터)는 1차 표준이고, 휴대용 압력 교정기와 자동 압력 컨트롤러는 2차 표준으로 쓴다. 현장 계기 점검은 휴대용 교정기로, 실험실 다수 계기 교정은 압력 컨트롤러로 수행한다.

배관 설비에서는 수압시험과 펌프 흡입 설계에 이 환산 관계를 그대로 쓴다. 수압시험 압력계의 눈금이 게이지압력이면 그 값에 대기압을 더해야 절대압력이 된다. 흡입 설계에서는 대기압과 수두 환산값으로 흡입 가능 높이를 판단한다.

기준값은 다음 표로 정리한다.