2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2001 · 문제 10 · 유체역학, 열·상전이

수도꼭지 하나로 진공을 만든다 — 물 흐름 펌프

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2001 문제 10 ‘Water stream pump’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2001 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「기체의 성질」(압력·보일 법칙)·「물질의 상태 변화」(끓는점과 압력) / 고등학교 통합과학1 「시스템과 상호작용」(역학적 시스템)·과학탐구실험1(측정과 오차) / 물리학 「힘과 에너지」(일과 역학적 에너지 보존 — 유체의 흐름과 압력)·진로선택 「역학과 에너지」(열과 에너지 — 상변화와 포화 증기압) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

벤투리 효과, 베르누이 방정식, 이젝터(제트 펌프), 노즐·목·확대관, 면적비, 절대압력과 게이지 압력, 포화 수증기압, 클라우지우스–클라페이롱 관계, 캐비테이션, 흡입 용량, 감압 여과, 콜드 트랩, 역류 방지 밸브

원리 살펴보기

수도꼭지에 끼운 손바닥만 한 부품이 옆구리로 공기를 빨아들여 플라스크 안을 진공으로 만든다. 물이 좁은 목을 지나며 빨라지면 그만큼 압력이 낮아지고, 그 낮은 압력이 옆구리의 공기를 끌어들인다 — 베르누이 방정식이 말하는 벤투리 효과다. 다만 실제 흡인기 속은 물만 흐르는 매끈한 관이 아니다. 노즐에서 튀어나온 물줄기가 물방울로 부서지면서 공기를 붙들어 확대관 쪽으로 실어 나르는 운동량 교환이 겹친다. 그래서 부품은 노즐·목(혼합관)·확대관 세 토막으로 나뉜다.

그렇다면 수도를 세게 틀수록 진공은 한없이 깊어질까? 아니다. 물이 있는 한 그 공간은 물의 증기로 채워지므로, 도달할 수 있는 절대압력의 하한은 그 온도에서의 포화 수증기압이다. 20 °C 물이면 약 2.3 kPa, 10 °C 물이면 약 1.2 kPa로, 대기압 101 kPa의 각각 2 %와 1 %다. 그보다 더 내리려 하면 목에서 물 자체가 끓어 캐비테이션이 일어나고, 생겨난 수증기가 빈자리를 도로 메운다. 공급 압력이 충분한 구간에서는 공급 압력이 “얼마나 빨리” 비우는지를, 물 온도가 “얼마나 낮은 데까지” 내려가는지를 정한다. 시판 제품이 공급 압력 3~6 bar에 걸쳐 최저 압력이 거의 변하지 않는다고 밝히는 것도 그래서다. 다만 그보다 약하게 틀면 물살이 느려 목을 그만큼 끌어내리지 못하므로, 도달 압력 자체가 올라간다.

이 값싼 진공은 지금도 곳곳에서 쓰인다. 실험실의 감압 여과와 감압 증류(끓는점을 낮춰 열에 약한 물질을 다룬다), 병원·치과의 흡인 장치(모터 없이 빨아들인다), 화학·제지 공장의 진공 증발과 탈기(수증기가 섞여도 되는 공정에 값싸다), 농업·수영장의 벤투리 인젝터(약품을 물살이 스스로 섞는다)가 그것이다.

실험 설계

준비물

수도꼭지용 물 흡인기(폴리프로필렌 제품) 또는 자작 부품(안지름 1.5~2 mm 노즐, 안지름 4~6 mm 목, 확대관), 두꺼운 벽 흡인 플라스크, 두꺼운 벽 진공 호스와 호스 클램프, 안전 트랩용 두꺼운 벽 병, 절대압 진공계, 디지털 온도계 둘, 얼음과 대야, 초시계, 눈금 있는 물통, 캘리퍼스, 보안경.

변인

독립변인은 흡인기에 공급하는 물의 온도이다. 종속변인은 용기 안에서 도달하는 최소 절대압력이다 — 게이지 압력이 아니라 절대압력으로 적는다. 게이지로 −98 kPa은 절대압 3 kPa과 같은 말이니 표에 단위와 기준을 함께 쓴다. 통제변인은 수도의 게이지 공급 압력, 노즐과 목의 안지름(면적비), 노즐과 목 사이 거리, 배기할 용기의 부피, 연결부의 기밀 상태, 실험실의 대기압이다. 뒷단계에서는 공급 압력과 면적비를 차례로 독립변인으로 바꾼다.

실험 순서

  1. 흡인기–트랩–용기를 두꺼운 벽 호스로 잇고 클램프로 조인다. 물을 틀어 압력이 더 내려가지 않을 때까지 기다린 뒤 용기 쪽 밸브를 잠그고, 5분 동안 압력이 얼마나 오르는지 재어 누설 속도를 먼저 확인한다. 누설이 크면 뒤의 어떤 측정도 의미가 없다.

  2. 규모를 먼저 계산한다. 노즐 안지름을 캘리퍼스로 재고 수도의 게이지 압력을 읽어, 분출 속도를 √(2Δp/ρ)로 어림한다. 지름 2 mm·3 bar이면 약 25 m/s, 유량은 약 4~5 L/min이라 5~10분 운전에 물 20~50 L를 쓴다. 배수를 감당할 수 없으면 노즐을 가늘게 바꾼다.

  3. 기준 측정: 수돗물을 그대로 흘려 공급수 온도, 도달 최소 절대압력, 거기까지 걸린 시간을 함께 기록한다(3회 이상).

  4. 얼음물에 담근 코일로 공급수를 식히거나 온수와 섞어 물 온도를 5~30 °C 범위에서 바꾸며 ③을 되풀이한다. 물 온도는 흡인기 바로 앞에서 잰다.

  5. 교차 확인: 용기에 물을 조금 넣고 잔잔히 끓을 때 액체의 온도를 읽는다. 그 온도의 포화 수증기압이 곧 그때의 압력이다. 다만 증기 부하가 걸리므로 마른 상태의 최저 압력보다 높게 나온다.

안전 안내

⚠ 안전

진공을 거는 유리는 두꺼운 벽 흡인 플라스크만 쓴다. 평평한 바닥 병, 얇은 유리, 흠집이나 금이 간 기구는 안쪽으로 터지는 내폭이 일어나므로 절대 쓰지 않고, 용기는 천이나 그물로 감싸고 보안경을 낀다. 수도 연결부는 호스 클램프로 조이고 수압은 천천히 올린다 — 이탈하면 고압 물줄기가 튄다. 수도를 잠그면 물이 용기 쪽으로 역류하므로, 끝낼 때는 먼저 용기에 공기를 들여보내 대기압으로 되돌린 다음 물을 잠그고, 중간에 트랩이나 역류 방지 밸브를 반드시 둔다. 바닥에 흐른 물로 미끄러지지 않게 하고 전기 기구는 멀리 둔다. 수은 압력계는 쓰지 않는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

수도를 두 배로 세게 틀면 도달하는 최소 압력도 절반으로 낮아질까, 아니면 거의 그대로일까?

자료 정리

가로축을 공급수 온도, 세로축을 도달 최소 절대압력으로 찍고 같은 그림에 포화 수증기압 곡선을 겹쳐 긋는다. 측정점이 그 곡선 위쪽에 나란히 눕는지가 핵심이다. 계기는 미리 골라야 한다 — 스마트폰 기압 센서는 대개 절대압 300 hPa(=30 kPa)까지만 읽어 이 영역에 들어오지 못한다. 부르동관 진공계는 게이지 기준이라 대기압을 더해야 절대압이 되고, 그 합성 오차가 ±1.5 kPa쯤이라 2.3 kPa와 5 kPa을 가르기 어렵다. 반면 20 °C 부근에서 포화 수증기압은 온도에 약 0.15 kPa/°C로 붙으므로, ±0.5 °C 온도계를 쓰는 끓는점 법은 0.1 kPa 수준을 가른다.

결과의 의미

물이 찰수록 도달 최소 절대압력이 낮아지고, 측정점들이 포화 수증기압 곡선을 아래 경계로 삼아 그 위에 나란히 눕는 모습이 예상된다. 이는 이 펌프의 한계를 물살의 세기가 아니라 물의 열역학이 정한다는 뜻이다. 기록값을 낮추려면 수도를 더 세게 트는 대신 더 찬물을 써야 한다. 곡선과 측정점 사이의 간격은 캐비테이션·누설·계기 오차의 몫이고, 그 간격을 좁히는 과정이 이 탐구의 알맹이다. 시판 제품이 12 °C 물로 16 mbar를 낸다는 값은 같은 온도의 포화 수증기압 약 14 mbar보다 15 %쯤 높을 뿐이다.

더 탐구하기

  1. 노즐과 목 사이 거리, 그리고 목과 노즐의 면적비를 바꿔 가며 최소 압력과 배기 시간이 어떻게 갈리는지 살펴보자. 최소 압력은 거의 그대로인데 배기 시간만 달라진다면 앞의 설명을 뒷받침하는 증거가 된다.

  2. 흡인기와 용기 사이에 얼음물로 식힌 트랩을 넣어 보자. 용기 쪽 압력의 하한이 펌프 물이 아니라 트랩 온도의 포화 수증기압을 따라 내려가는지 확인할 수 있다.

  3. 배기 시간과 물 소비량을 함께 재어, 최소 압력을 1 kPa 더 낮추는 데 물이 몇 L 드는지 값을 매겨 보자.

  4. 흡인기 두 개를 직렬로 이어, 앞단이 뒷단의 배출을 대신 받아 주어 더 내려가는지 — 아니면 각 단의 물에서 나온 수증기 탓에 소용이 없는지 확인해 보자.

연결 주제

2025년 문제 16 ‘비르츠 펌프’, 2021년 문제 16 ‘초음파 펌프’와 같은 펌프 계열이나 기제가 다르다. 비르츠 펌프는 회전하는 나선이 물과 공기를 번갈아 가두어 정수압을 계단처럼 쌓는 용적식이고, 이쪽은 움직이는 부품 없이 물줄기의 운동 에너지로 압력을 낮춰 기체를 끌어들인다. 초음파 펌프에서 캐비테이션은 물을 올리는 수단이지만 여기서는 성능을 가로막는 장애물이다. 같은 해 문제 9 ‘병 비우기’와는 압력·유출 측정법을 공유한다.

참고문헌

[학생] 위키백과 ‘Vacuum ejector’(구 ‘Aspirator (pump)’)·‘Venturi effect’(노즐–목–확대관 구조) / Leybold 진공 기초 ‘Water jet pumps and steam ejectors’(도달 총압력은 물의 증기압이 정하며 물 15 °C에서 약 17 mbar) / BRAND 물 흐름 펌프 PP 기술자료(최저 압력 16 mbar, 물 12 °C; 3.5 bar에서 물 190 L/h·공기 약 400 L/h; 공급 압력 3~6 bar에서 최저 압력 거의 일정; 역류 방지 밸브 내장) / 영상 검색어 “water aspirator vacuum”, “venturi vacuum pump” / [심화] A. Agliolo Gallitto, R. Zingales, O. R. Battaglia, C. Fazio, “An approach to the Venturi effect by historical instruments,” Physics Education 56(2), 025007 (2021), DOI 10.1088/1361-6552/abc8fa · M. S. Cubberley, W. A. Hess, M. B. Johnson, “An Inexpensive Recirculating Water Vacuum Pump for the Chemistry Laboratory,” Journal of Chemical Education 97(5), 1495–1499 (2020), DOI 10.1021/acs.jchemed.9b01123 · N. L. Sanger, “Cavitating Performance of Two Low-Area-Ratio Water Jet Pumps Having Throat Lengths of 7.25 Diameters,” NASA TN D-4592 (1968) (노즐 출구 정압이 내려갈 수 있는 하한이 증기압이며 그것이 흡입 유량을 제한) · J. Haidl 외, “Hydraulic characteristics of liquid–gas ejector pump with a coherent liquid jet,” Chemical Engineering Research and Design 168, 435–442 (2021), DOI 10.1016/j.cherd.2021.02.022(기체 흡입량 상관식). ※ 문헌은 시판·산업용 이젝터와 액–액 제트 펌프가 중심이다. 자작 흡인기에서 면적비·노즐 간격·물 온도가 최소 압력에 얽히는 방식과, 그 값을 학교 계기로 신뢰성 있게 재는 방법은 이 탐구의 개방 지점이다.

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