4. 순물질의 상변화

 

 

4.1. 순물질과 혼합물

  순물질이란 한 가지 분자로만 구성된 물질을 말합니다. 반면에 혼합물은 두 가지 이상의 순물질이 본래의 성질을 잃지 않고 섞여 있는 물질입니다.

  순물질의 예시로 소금, 설탕, 나프탈렌, 산소 등이 있고, 혼합물의 예시로 소금물, 우유, 콘크리트, 합금 등이 있습니다. 순물질과 혼합물은 상변화(phase change)에서 서로 다른 특징을 보입니다.

 

4.2. 순물질의 상변화

  순물질의 상변화는 온도가 일정한 상태에서 발생합니다. 우리는 상식적으로 대기압에서 물은 $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$에서 얼기 시작하고 $100\ ^{\circ}\mathrm{C}$에서 끓기 시작하는 것을 알고 있습니다. 물은 순물질이기 때문에 얼거나 끓는 동안 (=상변화 하는 동안) 온도 변화가 일어나지 않습니다.

  물질은 크게 고체, 액체, 기체의 세 가지 상이 존재합니다. 각 상변화를 지칭하는 말을 아래 [표 1]로 정리하였습니다.

 

	융해		기화
고체	$\rightleftharpoons$	액체	$\rightleftharpoons$	기체
	응고		응축

[표 1] 순물질의 상변화 명칭 정리

 

  일정한 압력하에 순물질이 상변화를 일으킨다면 온도가 일정한 구간이 존재합니다. 이 상변화의 시작부터 끝나기 전의 상태를 포화 상태라고 합니다. 이 포화 상태의 온도를 포화 온도라고 합니다. 또한 압력에 따라 대응하는 포화 온도는 일정합니다. 이를 통해 포화 온도에 대응하는 압력을 알 수 있는데, 이 압력을 포화 압력이라고 합니다.

  물을 예시로 들면 대기압($101.3\ \mathrm{kPa}$)에서 물이 수증기로 상변화 하는 동안 포화 상태이고, 이때 포화 온도는 $100^{\circ}\mathrm{C}$입니다. 이 포화 온도에 대응하는 포화 압력은 $101.3\ \mathrm{kPa}$가 될 것입니다.

 

  아래 [그림 1]^[각주:1]을 참고해 봅시다. 

[그림 1] 물의 $T-v$ 선도

 

  [그림 1]은 $x$축은 비체적 $v$이고, $y$축은 온도 $T$인 물의 $T-v$선도입니다. 그림의 4-5-6-7 과정을 보면 압력이 $p = 101.3(\mathrm{kPa})$ 일 때 물의 상변화 과정입니다. 5-6 과정 동안 물은 액체에서 기체로 변화하는 "기화" 과정을 거칩니다. 온도는 포화 상태일 때 $100^{\circ}\mathrm{C}$로 일정한 것을 확인할 수 있습니다.  이것으로 $100^{\circ}\mathrm{C}$가 포화 압력 $101.3\ \mathrm{kPa}$에 대응하는 포화 온도임을 알 수 있습니다.

  다른 경우로 [그림 1]에서 포화 압력이 $200\mathrm{kPa}$일 때, 포화 온도는 $120.2 ^{\circ}\mathrm{C}$임을 확인할 수 있습니다.

 

4.3. 현열(Sensible heat)과 잠열(Latent heat)

  상변화의 시점으로 열은 현열과 잠열로 나눌 수 있습니다. 간단히 정리하면 아래와 같습니다.

1. 현열(Sensible heat) : 물질의 온도 변화 과정에서 방출되거나 흡수된 열량
2. 잠열(Latent heat) : 물질의 상변화 과정에서 방출되거나 흡수된 열량

  현열보다 잠열의 양이 상대적으로 큽니다. 물의 경우 비열이 $4.18\ \mathrm{J/g \cdot ^{\circ}C}$이고, 기화잠열은 $2257\ \mathrm{kJ/kg}$입니다. 이를 참고해 예제를 풀어봅시다.

Ex 4.1) $0 ^{\circ}\mathrm{C}$의 물 $1 \mathrm{kg}$ 을 모두 $100 ^{\circ}\mathrm{C}$의 수증기로 바꾸는데 필요한 열량은 얼마인가?

  이 문제에서 물은 온도도 증가하고 액체에서 기체로 상변화도 하게 됩니다. 따라서 현열과 잠열이 모두 존재하므로, 둘을 나눠서 구해보겠습니다.

  1. 현열) $Q = mc\Delta T$의 공식을 이용합니다.

$$Q_{s} = mc\Delta T = 1000 \times 4.18 \times 100 = 418000\ \mathrm{J} = 418\ \mathrm{kJ}$$

  2. 잠열) 기화 잠열에 질량을 곱하여 구할 수 있습니다.

$$Q_{l} = 2257 \times 1 = 2257\ \mathrm{kJ}$$

  총열량은 현열과 잠열을 더한 값이 됩니다.

$$Q = Q_{s} + Q_{l} = 418 + 2257 = 2675\ \mathrm{kJ}$$

 

  해당 예제에서 총열량 중 잠열이 해당하는 비율이 약 84% 정도 됩니다. 이처럼 잠열이 현열의 양보다 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있습니다.

 

 사견)

  저는 SI 단위를 사랑합니다. 그래서 kcal 단위가 아닌 J을 썼습니다...

4.4. 삼중점(Triple point)과 임계점(Critical point)

  순물질은 특정 압력구간 사이에서 일반적으로 고체-액체, 액체-기체 사이 상변환이 존재합니다. 위 [그림 1]에서 확인하면 (최소 압력은 명시되지는 않았지만) 물은 $0.6113\ \mathrm{kPa}$에서 $22.09\ \mathrm{MPa}$ 사이에서 일반적인 상변화가 일어납니다. [그림 2]^[각주:2]를 참고해 봅시다.

[그림 2] 물의 $p-T$ 선도

    [그림 2]는 $x$축이 온도 $T$이고, $y$축이 압력 $p$인 물의 $p-T$선도입니다.

 

    물의 압력을 $0.6113\ \mathrm{kPa}$로 유지한 채 열을 가하면 물은 얼음의 상태에서 온도가 상승하다 $0.01^{\circ}\mathrm{C}$에 도달하면 고체/액체/기체의 평형 상태에 이르고, 온도가 더 올라가면 곧바로 기체가 됩니다. 이때 세 개의 상이 평형이 되는 점([그림 2]의 $p = 0.6113\ \mathrm{kPa},\; T = 0.01^{\circ}\mathrm{C}$인 점)을 삼중점이라 합니다.

    만일 물의 압력이 $0.6113\ \mathrm{kPa}$보다 낮아지게 된다면 고체에서 바로 기체가 되는 상변화인 승화가 일어나게 됩니다. [그림 2]에서 직관적으로 확인할 수 있습니다.

 

    그렇다면 압력을 계속 높이면 어떻게 될까요? [그림 1]과 [그림 2]에서 압력이 $22.09\ \mathrm{MPa}$이고 온도가 $374.14^{\circ}\mathrm{C}$인 점을 확인해 봅시다. [그림 1]에서는 포화 구간이 극히 짧아 사실상 존재하지 않게 되고 [그림 2]에서 압력을 $22.09\ \mathrm{MPa}$ 넘긴다면 액체와 기체 간 구분이 되지 않습니다. 이러한 점을 임계점이라 합니다.

  두 그림을 통해 임계점은 포화 구간이 점이기 때문에 증발 잠열은 0이 되고, 그 이상의 압력에서는 잠열이 의미가 없어지는 것을 알 수 있습니다.

 

 

  이번 포스팅은 여기서 마치겠습니다. 다음 포스팅에서는 포화증기표/과열증기표/압축액표 보는 법을 작성할 예정입니다.

    

    

 

  

1. 자료 출처 : 원성필, 개정판 열역학 (서울 : 보성각, 2018), 79 [본문으로]
2. 자료 출처 : 같은 책, 80 [본문으로]