절대압력·계기압력

왜 배우는가: 절대압력과 계기압력은 압력 표시의 기준점이 다르기 때문에 값을 잘못 옮기면 계산 전체가 틀린다. 소방에서는 제연·배연 차압, 밀폐 공간의 내압 계산에서 두 압력을 구분해야 하며, 기술사 시험에서는 기준점 차이와 환산 계산을 묻는 문제로 자주 나온다.

출제 이력: 제125회 1교시 6번, 제113회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

절대압력은 완전 진공을 기준(0)으로 측정한 압력이고, 계기압력은 대기압을 기준(0)으로 측정한 압력이다. 절대압력 = 계기압력 + 대기압(표준대기압 760mmHg 기준)

핵심 키워드

• 절대압력(absolute pressure)
• 계기압력(gauge pressure)
• 대기압(atmospheric pressure)
• 진공압(vacuum pressure)
• 기준점(zero reference)
• 표준대기압(standard atmospheric pressure)
• 차압(differential pressure)
• 과압(overpressure)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 압력을 재는 출발점이 어디냐의 문제다. 진공을 출발점으로 잡으면 절대압력, 지금 우리가 살고 있는 대기를 출발점으로 잡으면 계기압력이다. 압력계 눈금이 보통 계기압력으로 표시되는 이유는 자동차 타이어처럼 주변 공기와의 차이가 실제로 중요한 경우가 대부분이기 때문이다.

정식 정의는 다음과 같다. 절대압력은 완전 진공(절대 0 압력)을 기준으로 한 압력이다. 계기압력은 대기압을 기준으로 한 압력이며, 대기압보다 높으면 양(+)의 값, 낮으면 음(-)의 값을 가진다. 두 압력은 대기압만큼 차이가 나며, 관계식은 다음과 같다.

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

여기서 P_{abs}는 절대압력(Pa, mmHg 등), P_{gauge}는 계기압력, P_{atm}은 대기압이다. 계기압력이 음수일 때, 즉 대기압보다 낮은 압력을 진공압(vacuum pressure) 또는 부압이라고 부른다. 진공압은 대기압 기준으로 본 감압의 크기이므로 절대압력은 항상 0 이상이다.

핵심 용어 설명

• 절대압력: 완전 진공을 0으로 하는 압력 눈금. 기체 상태방정식의 계산에는 반드시 이 값을 쓴다.
• 계기압력: 대기압을 0으로 하는 압력 눈금. 압력계와 배관 설계에서 응력 계산에 주로 쓴다.
• 진공압: 대기압보다 낮은 상태를 대기압 기준으로 나타낸 값. 절대압력과 혼동하지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 압력 측정은 대기 중에 열린 액주계로 이루어졌으므로 자연스럽게 대기압을 기준으로 삼았다. 이후 진공 펌프, 증기 응축기, 고진공 공정이 발전하면서 대기압을 기준으로 하면 진공 상태를 표시할 수 없다는 문제가 생겼다. 그래서 완전 진공을 기준으로 하는 절대압력 눈금이 필요해졌다.

한편 기압은 고도와 날씨에 따라 변한다. 따라서 같은 계기압력이라도 고도가 다르면 절대압력이 달라진다. 이 때문에 기체 법칙처럼 절대 온도와 짝을 이루는 계산에서는 절대압력을 써야 한다. 소방에서는 밀폐 구획의 압력 변화, 제연 설비의 차압, 연소 생성물의 기체 거동을 해석할 때 두 압력의 구분이 실무적으로 필요하다.

참고로 수은주 압력 단위인 1atm = 760mmHg는 표준대기압의 정의에서 나온 값이며, 수은주 높이로 표시한 압력은 진공 상태에서 액주가 올라간 높이로 측정된다는 원리를 갖는다.

4. 구성요소·원리·절차

절대압과 계기압력은 측정의 기준점(영점)이 다른 두 가지 압력 표시법이다. 두 값의 차이는 기준점 차이에서 생기므로 기준점을 먼저 확인해야 한다. 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

표에서 보듯 절대압은 완전진공을 0으로 잡은 값이고, 계기압력은 대기압을 0으로 잡은 값이다. 진공압은 대기압보다 낮은 압력을 대기압 기준으로 나타낸 값이다.

원리는 대기압의 성질에서 나온다. 대기압은 공기 기둥의 무게가 만드는 압력이며, 해발고도와 기상 조건에 따라 변한다. 압력계는 대기압을 0으로 놓고 지시하므로, 같은 계기압력이라도 대기압이 다르면 절대압은 달라진다. 완전진공은 어디서나 같은 기준이므로 절대압은 장소와 기상에 관계없이 같은 기준을 가진다.

두 압력의 관계식은 다음과 같다. 이 식은 계기압력이 대기압보다 클 때와 작을 때 모두 성립한다.

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

여기서 P_{abs}는 절대압(Pa, mmHg), P_{gauge}는 계기압력, P_{atm}은 대기압이다. 계기압력이 음수이면 진공 상태이며, 이때 절대압은 대기압보다 작다.

진공계의 지시값은 대기압에서 진공압을 빼서 구한다.

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

여기서 P_{vac}는 진공압(대기압 기준 진공 정도)이다. 단위가 mmHg이면 두 값을 같은 단위로 맞춘 뒤 계산한다.

계산 예제는 다음과 같다. 주어진 값은 대기압 760mmHg, 진공압 500mmHg이다. 공식 P_{abs} = P_{atm} - P_{vac}에 대입하면 P_{abs} = 760 - 500 = 260mmHg이다. 단위는 mmHg이다. 결과는 0보다 크고 대기압보다 작으므로 상식 범위에 있다. 같은 상황의 계기압력은 P_{gauge} = 260 - 760 = -500mmHg(G)이다.

계산 절차는 다음과 같다.

• 측정 기준이 대기압인지 완전진공인지 먼저 확인한다.
• 계기압력 지시값이면 대기압을 더해 절대압을 구한다.
• 진공계 지시값이면 대기압에서 진공압을 뺀다.
• 대기압과 측정값의 단위를 mmHg, Pa 등으로 통일한다.
• 결과가 0 이상인지 확인한다. 절대압은 음수가 될 수 없다.

절대압은 완전진공 기준, 계기압력은 대기압 기준이며 둘의 차이는 대기압이다.

아래 구성도는 두 압력의 기준점과 상호 변환을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

절대압과 계기압력의 정의와 환산은 계측 표준과 단위 체계에 따른다.

위 표의 값은 모두 SI 환산과 계측 관례에 따른 값이다. 표의 값을 계산에 쓸 때는 기준 압력(절대압 또는 계기압)을 먼저 표시해야 한다. 예를 들어 같은 1at라도 절대압인지 계기압인지에 따라 해석이 달라진다.

실무에서는 압력계가 계기압을 표시하는 경우가 많다. 따라서 측정값을 절대압으로 바꾸는 과정에서 대기압 값을 반드시 함께 기록해야 한다. 대기압 값을 생략하면 같은 계기압에서도 절대압이 달라져 설계와 해석에 오차가 생긴다.