증기

증기(Vapor , 蒸氣)는 물질이 액체에서 증발하고, 혹은 고체에서 승화하여 기체가 된 상태를 말한다. 수증기의 약어로도 사용되지만, 차이가 있다. 수증기는 물의 증기를 말한다.

개요

물리학에서 증기(vapor , 蒸氣)는 임계온도(critical temperature) 이하에서 존재하는 기체로서, 일정 압력에서 온도를 낮추거나 일정 온도에서 압력을 증가시킴으로서 응축될 수 있는 기체를 말한다. 예를 들어 물은 374 °C (647 K)의 임계온도를 가지며, 이는 액체 물이 존재할 수 있는 가장 높은 온도이다. 상온 대기압에서 물 증기(water vapor)는 압력을 증가시켜 액체 물로 응축 될 수 있다. 증기는 기체 안에 부유하고 있는 고체 또는 액체 형태의 입자인 에어로졸(arerosol)과는 다르다. 증기는 액체(liquid) 또는 고체(solid) 형태가 같이 존재할 수 있으며, 이때 두 상(phase)은 평형을 이루고 기체 분압은 액체 또는 고체의 평형 증기압과 같다.

일반적으로 증기(vapor)와 가스(gas)를 잘 구분하지 못하는 경우가 있다. 가스는 임계온도 이상에서 존재하는 기체로서 압력을 증가시켜도 액체로 응축될 수 없는 성질을 갖는 기체이다. 예를 들어, 상온 대기압에서의 공기(air)가 그 예이다. 공기는 대기 온도에서 압축을 증가시켜도 응축이 일어나지 않는다. 하지만 임계압력(critical pressure)보다 낮은 압력에서 존재하기 때문에 초임계 유체(supercritical fluid)라 하진 않는다. 초임계 유체는 임계온도 이상에서의 기체 중에서, 임계압력보다 높은 압력에서도 응축 되지 않는 분자간 거리가 매우 가까운 상태의 기체를 말하며, 액체와는 다르다.

증기압

증기압(vaper pressure)은 일정한 온도에서 밀폐 된 용기에 들어있는 액체 또는 고체와 동적 평형 상태일 때의 증기의 압력을 말한다. 증기압은 액체 또는 고체의 증발 속도와 관련 있으며, 정상상태 (25 °C, 1 atm)에서 물질의 증기압이 높다는 것은 그 물질이 휘발성을 가진다고 할 수 있다. 액체의 온도가 증가하게 되면 분자의 운동 에너지가 증가하게 되고, 이에 따라 증기로 변하는 분자 수가 증가함으로써 증기압이 높아진다. 온도가 일정하면, 증기압은 어느 수준 이상으로는 올라가지 않는데 이때의 증기압을 포화 증기압이라 하며, 이를 일반적으로 증기압이라 하기도 한다. 이러한 포화 증기압은 같은 온도에서 끓는점이 낮은 물질에서 높고, 같은 물질에서 온도가 높을수록 높다.

증기의 에너지

증기는 적당한 열을 취득하여 물에서 파생된 기체인데, 기체의 공통된 성질로서 온도·열·압력에 민감하다. 따라서, 증기로부터 동력(動力)을 얻는 과정에서는 이러한 여러 요인을 고려하여야 한다. 말하자면 문제를 열역학적으로 다루지 않으면 안 된다고 할 수 있다. 그러나 증기의 흐름에 대해서도, 일단 증기의 압력·밀도·속도에 관하여 베르누이의 식에 들어맞는 관계가 있다. 이 관계식은 자동과정(作動過程)의 열적 조건에 의해서 차이가 생기게 마련이다. 그리고 증기의 밀도가 작기 때문에 실제적으로 얻어질 정도의 유로(流路)의 고저(高低)에 의한 위치에너지는, 밀도변화를 고려하여도 문제가 되지 않는다. 처음부터 고속(高速)의 증기를 증기원(蒸氣源)으로부터 얻을 수는 없으므로 포텐셜에너지로서의 압력이 큰 증기를 발생시킬 필요가 있다. 그런데 일반적으로 기체는 압력이 어느 값 이상으로 올라가면 응축되어 액화(液化)한다. 이 값(임계치)은 기체를 고온으로 만들수록 높아진다. 한편 기체를 어느 온도(임계온도) 이상으로 하면 아무리 압력(壓力)을 높일지라도 액화되지는 않게 된다. 그렇기 때문에 증기에서 동력을 얻을 경우, 증기압이 수압면(水壓面)에 작용하기까지의 팽창 또는 압축을 수반하는 작동(作動)과정에서, 액화하여 압력이 내려가는 일이 없는 고온·고압의 증기를 사용하는 편이 좋을 것이다. 사실 이 증기는 열역학적으로 생각하면 에너지가 크다.

온도·열·압력에의 증기의 민감도

가령 응축되지 않는 범위 내에서 압력을 일정하게 해 두고 온도를 100℃로부터 200℃로 올리면 체적은 약 25% 팽창하고, 온도를 일정하게 해 두고 압력을 2배로 올리면 체적은 약 2분의 1이 된다.

증기의 밀도변화 문제

이를테면 140℃ 포화증기의 10m의 연직 기둥이 밑면에 미치는 압력은 2g／㎠이고, 또한 이 때의 증기압은 3.6기압으로서 위에서 말한 압력의 1,860배이다.

참고자료

• 〈증기〉, 《위키백과》
• 〈증기〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 공기
• 기체
• 기화
• 수증기
• 승화
• 증기기관
• 증기기관차

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