응결

응결(凝結, Condensation)은 한데 엉기어 뭉침의 뜻으로 기체 상에서 액체로 엉기는 것을 말한다.

개요

응결은 공기가 이슬점 이하로 냉각되어서 포화상태가 되어 수증기가 물방울로 맺히는 현상을 가리킨다. 즉, 응결은 기체인 수증기가 액체인 물이 되는 현상을 말한다. 응결이 잘 일어나기 위해서는 공기 중에 수증기가 많아야 해요. 수증기가 찬 물체의 표면에 닿거나 공기의 온도가 내려가야 한다. 기상현상에서는 이슬, 안개, 구름 등이 응결과 관련이 있다. 이슬은 새벽에 차가워진 나뭇가지나 풀잎 등에 수증기가 응결하여 이루어진 작은 물방울을 말한다. 안개는 수증기가 지표면 근처에서 응결하여 공기 중에 떠 있는 현상이다. 구름은 수증기가 높은 하늘에서 응결하여 작은 물방울 상태로 떠 있는 현상을 말한다.

우리 주변에서도 응결의 예를 찾아볼 수 있는데, 여름날, 얼음물 컵을 실내에 놓아두면 컵 표면에 작은 물방울들이 맺히는 것을 볼 수 있다. 공기 중에 있던 수증기가 컵의 차가운 표면에 닿아 냉각되면서 응결하여 생긴 것이다. 또한 욕실의 천장에 물방울이 맺히거나, 유리창에 입김을 불면 뿌옇게 김이 서리는 것은 모두 공기 중의 수증기가 차가운 물체의 표면에서 식으면서 물이 되어 맺히는 것이다. 응결의 주원인은 공기의 냉각이다. 온도가 낮아지면 공기가 수증기를 함유할 수 있는 양은 줄어든다. 응결은 공기가 냉각되면서 일어난다. 공기가 이슬점 이하로 냉각되어 포화상태가 되면 수증기가 물방울로 맺힌다. 즉, 공기의 냉각이 응결의 주원인이다. 공기가 냉각되는 주요 원인은 상승기류의 단열팽창, 따뜻한 공기의 한랭한 공기와의 혼합, 찬 지면 또는 해면과의 접촉 등이다.

응결로 인한 기상현상

수증기의 응결로 구름이나 안개가 생기거나 이슬이 맺히기도 한다. 상승기류의 단열팽창의 경우에는 구름이 생긴다. 따뜻한 공기와 한랭한 공기가 혼합된 경우에는 안개 또는 구름이 생긴다. 찬 지면 또는 해면과 접촉하는 경우에는 이슬이나 서리가 맺힌다. 대기 중에서는 공기가 거의 포화 상태에 달했을 때 응결이 일어난다.

생활 속의 응결현상

여름철 찬 얼음물이 든 컵 바깥면에 물방울이 생기는 현상을 볼 수 있다. 이는 컵의 바깥면에 있던 수증기가 냉각되어 물방울로 맺히는 것이다. 겨울철 아침 유리창 안에 물방울이나 성에가 생기는 현상을 볼 수 있다.

특징

응결은 기체상태에서 액체상태로 바뀌는 상변화를 말한다. 기상학에서의 응결은 기체상의 물(수증기)이 액체상 물로 물리적 상이 바뀌는 과정으로 주로 수증기가 이슬, 안개 그리고 구름으로 바뀌는 현상을 가리킨다. 공기온도가 낮아지면서 공기에 함유된 수증기량이 공기가 수증기를 포함할 수 있는 용량을 넘어설 때 응결이 발생하게 된다. 또는 공기온도가 일정한 상태에서 공기 중 수증기량의 증가가 이러한 용량의 초과를 초래해 응결을 발생시킬 수 있다. 응결의 반대 과정은 증발(evaporation)이라 하며, 분자규모에서는 증발과 응결 과정이 항상 일어난다. 분자규모에서 응결량이 증발량보다 클 때 응결이 일어난다고 할 수 있다. 공기가 냉각되어 이슬점온도에 다다르는 경우, 혼합공기에 충분한 수증기가 공급되어 상대습도가 100%에 도달할 경우 응결이 발생한다. 응결 과정에서 잠열 에너지를 방출(1기압 100℃에서 2.25×106 J kg-1)하며 구름과 강수, 안개, 이슬 등은 응결 과정을 통해 생성될 수 있다.

구름응결핵(Cloud condensation nuclei)

대기 과포화 상태에서 수증기는 구름입자의 약 1/100 크기인 흡습성 에어로졸에서 응결을 시작하는데 이 에어로졸 입자를 구름응결핵(CCN; Cloud condensation nuclei)이라 부른다. 입자크기가 클수록, 흡습성이 강할수록, 용해도가 클수록 입자가 CCN으로 작용할 수 있는 과포화도가 낮아진다. 지구 지표면 근처에서는 일반적으로 대륙성 기단이 해양성 기단보다 CCN을 더 많이 가지고 있다. 따라서 대륙성 기단에서는 많은 작은 입자가 생성되며, 해양성 기단에서는 적은 큰 입자가 생성되기 쉽다. CCN 입자는 주로 육지에서 발생하는데 흙, 먼지, 해양 소금성 입자 등이 CCN이 될 수 있으며 주요한 공급원은 산불로 인한 에어로졸로 알려져 있다. 만약 CCN 입자가 없이 순수한 물이 응결하기 위해서는 실험실에서 400% 이상의 상대습도가 필요하지만 실제 대기에서는 CCN이 충분히 존재해 상대습도 100% 부근에서 응결이 가능하다.

대류응결고도(Convective condensation level)

지표에서 공기괴가 충분히 가열이 되어 공기덩이가 단열적으로 상승했을 때 포화점에 도달하여 응결이 시작하게 되는 고도다. 단열선도에서는 지표면에서의 이슬점온도를 포화혼합비선을 따라 올렸을 때 기온선과 만나는 고도를 말한다.

상승응결고도(lifting condensation level; LCL)

불포화 상태의 습윤공기가 건조 단열적으로 상승하여 응결이 일어나는 고도다. 포화되지 않은 공기가 산허리 등을 따라 상승하게 되면 기온은 건조단열감률에 따라 100m 상승할 때마다 1℃ 낮아진다. 이에 따라 이슬점온도도 100m마다 0.2℃씩 감소하게 된다. 상승하는 공기의 기온과 이슬점온도가 같아지는 고도가 상승응결고도가 된다. 따라서 지상기온을 $T_{1}$, 지상 이슬점온도를 $T_{d}$라고 할 때, 상승응결고도 $h$는 다음의 관계식으로 얻을 수 있다.

$h=125(T-T_{d})$ $[m]$

응결에 의한 성장

수증기가 과포화상태에서 응결이 되어 구름입자가 생성되면 그 입자의 반경이 쾰레 곡선(Kohler curve)의 최대치일 때의 반경보다 클 경우 응결에 의해 입자가 계속 성장할 수 있다. 그 때 응결에 의한 입자의 성장은 다음 식을 따른다.

$r{dr \over dt}=G_{I}S$ $(1)$

이 때 $G_{I}$과 과포화도 $S$는 다음과 같다.

$G_{I}={Dp_{u}(\infty ) \over pl}$ $(2)$

$S={e(\infty )-e_{s} \over e_{s}}$ $(3)$

여기에서 $D$는 확산계수(diffusion coefficient), $p_{u}(\infty )$은 입자의 반경이 매우 클 때(평면)의 수증기 밀도, $pl$은 물의 밀도, $e(\infty )$는 입자의 반경이 매우 클 때의 수증기압, $e_{s}$는 포화수증기압이다. 응결에 의한 성장은 초기에는 입자가 급격히 성장하지만 시간이 지날수록 성장률이 줄어든다.

응결과 증발

그릇에 담긴 물은 시간이 지나면 그 양이 줄어든다. 표면의 물이 증발하기 때문이다. 물 분자는 끓는 점 이하의 온도에서도 증발을 통해서 기화될 수 있다. 증발되는 물의 일부는 다시 응결되어 액체로 돌아오기도 한다. 증발과 응결은 어떻게 일어나며, 증발과 비등은 다음과 같이 다르다.

증발은 액체표면에서 일어나는 기화현상

증발(evaporation)은 끓는점 이하의 온도에서 일어나는 기화현상이다. 증발은 액체 표면에 있는 분자들 중에서 높은 에너지를 가진 분자가 분자들 사이의 인력을 이겨내고 튀어나와서 기화되는 것이다. 이에 반해 비등(boiling)은 외부에서 공급된 열을 받아 액체의 내부에서 일어나는 기화현상이다. 비등은 압력에 따라 정해지는 특정한 끓는점(비등점)에서만 일어난다. 하지만 증발은 비등점이하의 어떤 온도에서도 일어날 수 있다. 증발은 액체 상태의 분자들은 액체 내에서 각기 다른 속도로 무질서하게 돌아다닌다. 액체 분자들은 돌아다니면서 다른 분자들과 충돌하여 운동에너지를 얻기도 하고 잃기도 한다. 이것은 마치 수많은 당구공들이 서로 충돌하여 운동에너지를 얻거나 잃는 것과 유사하다. 액체의 온도는 액체 분자들의 평균운동에너지를 나타낸다. 액체 표면의 분자들은 밑에서 치받는 다른 분자들로부터 충분한 운동에너지를 얻으면 액체 표면을 떠나 기체가 되어 자유로이 날아갈 수 있다. 이러한 현상이 증발이다.

응결은 증발의 역현상

여름철에 냉장고 안에 있던 차가운 음료수를 밖에 꺼내 놓으면 잠시 후 병 바깥쪽에 작은 물방울이 생기는 것을 볼 수 있다. 이것은 공기 중의 수증기가 액화되어 차가운 병 바깥쪽에 달라붙은 것이다. 이러한 현상을 응결(응축, condensation)이라 부른다. 다시 말해 응결은 상온에서 기체가 액체로 변하는 현상으로 증발의 역현상이다. 응결은 어떻게 일어날까? 공기 중에는 항상 수증기(물) 분자들이 존재한다. 빠르게 움직이던 공기 중의 수증기(물) 분자들이 상대적으로 느린 병 표면의 분자들과 충돌하게 되면 운동에너지를 잃는다. 이 때 수증기 분자들 중 많은 운동에너지를 잃어버려서 더 이상 기체 상태로는 존재할 수 없게 된 수증기 분자가 응결하는 것이다.

물 분자들은 서로 끌려서 서로 달라붙으려는 경향이 있다. 하지만 공기 중에서는 평균속력이 빠르기 때문에 물 분자들이 서로 충돌하여 달라붙기는 어렵다. 하지만 느리게 움직이는 물 분자들은 서로 달라붙어 응결될 수 있다. 응결은 공기가 냉각되고 수증기 분자의 속도가 감소할 때 잘 발생한다. 기체 분자들이 액체 분자에 의해 붙잡힐 때에도 응결이 일어난다. 아무렇게나 운동하던 기체 분자들이 액체 표면과 충돌하면서 운동 에너지를 잃을 수 있다. 이 때 액체 분자들은 기체 분자들에 인력을 미쳐서 액체 속에 붙잡게 된다.

증기압이 클수록 증발속도가 크다

액체의 표면에서는 끊임없이 분자들이 기체 상태로 증발한다. 하지만 밀폐된 용기 속에서는 처음에는 증발이 활발히 일어나지만, 어느 정도 시간이 지나면 더 이상 증발이 일어나지 않는다. 액체의 양도 더 이상 줄어들지 않는다. 일부의 분자들은 증발로 액체를 이탈하지만 또 다른 일부의 기체 분자들이 응결되어 액체로 돌아오기 때문이다. 다시 말해 증발과 응결이 같은 속도로 일어나고 있는 것이다. 이러한 상태를 동적 평형 상태라 하고, 이때의 기체 압력을 증기압(포화증기압)이라 한다.

증기압은 액체의 증발속도와 관련이 있다. 증기압이 큰 물질일수록 잘 증발된다. 실온에서 증기압이 매우 큰 액체를 휘발성 물질이라 한다. 증기압은 같은 물질이라도 온도가 높아지면 더 커진다. 더운 날 물이 더 빨리 증발하는 이유는 이 때문이다. 뚜껑이 없는 용기에 담긴 액체는 일반적으로 동적평형상태에 이르지 못한다. 이 경우 용기안의 액체가 모두 없어질 때까지 증발이 계속될 수 있다. 포화증기압에 이르지 못하기 때문이다.

증발은 액체가 식어가는 과정

증발은 액체 분자들 중에서 가장 높은 에너지를 갖는 액체분자들이 기화되는 것이다. 따라서 증발이 일어나면 액체 전체의 평균운동에너지는 줄어들고 액체는 냉각된다. 물이 식는 과정에도 증발이 관여한다. 뜨거운 물 표면에서 일어나는 증발로 인해 물은 많은 열을 잃어버리고 온도가 내려간다. 증발은 저온에서도 일어나지만 고온에서 더 활발하다. 고온의 액체에 표면으로부터 탈출할 만큼 큰 운동에너지를 가진 물 분자들이 더 많기 때문이다. 증발은 액체의 표면적이 클수록 더 잘 일어난다. 넓은 그릇에 닮은 물이 빨리 식는 이유는 이 때문이다. 증발은 액체 표면 바로 위쪽의 포화된 공기를 제거하면 더 잘 일어난다. 비 오는 날 세탁물이 잘 마르지 않는 것은 포화증기가 세탁물을 둘러싸고 있기 때문이다. 하지만 이런 날에도 바람이 불면 조금 더 잘 마른다. 바람이 포화증기를 흩어버리기 때문이다.

증발은 체온조절에 이용된다

증발이 일어나면 주변이 시원해진다. 증발 과정에서 열의 흡수가 일어나기 때문이다. 이 때 숨은열을 증발열이라 한다. 피부에 알코올을 바르거나 더운 여름에 마당에 물을 뿌리면 시원함을 느끼는 것은 물이 증발할 때 피부나 공기로부터 증발열을 빼앗아가기 때문이다. 여름철에 부채질을 하면 시원한 이유나 겨울철에 바람이 불면 더 추운 이유도 마찬가지다. 바람에 의해 피부 표면에 있던 수분이 증발하면서 증발열을 뺏어가기 때문이다.

땀은 몸을 식히는 가장 뛰어난 수단이다. 땀의 성분은 대부분 물이며 증발할 때 피부에서 많은 증발열을 빼앗아간다. 인간은 모든 동물들 중에서 땀샘의 밀도가 가장 높다. 따라서 인간은 몸의 열을 식히는데 있어서 모든 동물 중에서 가장 뛰어나다고 할 수 있다. 운동경기에서 땀을 흘린 선수가 잠시 벤치에 앉아 있을 때 옷을 껴입는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 증발에 의해 몸이 차가와지는 것을 방지하기 위한 것이다. 덥고 습한 날일수록 불쾌한 이유도 증발과 관련이 있다. 습한 날에는 공기 중에 수증기가 많아서 땀의 증발이 더디게 일어나 피부가 식기 어렵기 때문이다.

안개와 구름 - 대표적 응결 현상

대표적인 현상이 안개와 구름이다. 이들은 모두 대기 중의 수증기가 응결되어 생기는 현상이며 차이는 발생하는 장소이다. 구름은 수증기의 응결이 높은 고도에서 일어나는 것이고, 안개는 지상 가까이에서 일어나는 것이다. 응결이 일어나면 응결열이 방출된다. 분자들이 응결할 때 잃은 운동에너지는 이들이 충돌한 표면의 온도를 높일 수 있다. 뜨거운 수증기에 의해 입은 화상은 같은 온도의 물에 의해 입은 화상보다 더 심각할 수 있다. 수증기가 살갗을 적시면서 응결할 때 많은 열을 방출하기 때문이다.

참고자료

• 〈응결〉, 《네이버 국어사전》
• 〈응결〉, 《위키낱말사전》
• 〈응결〉, 《어린이백과》
• 〈응결〉, 《두산백과》
• 〈응결〉, 《기상학백과》
• 김충섭, 〈증발과 응결〉, 《네이버 블로그》, 2011-11-02

같이 보기

• 눈
• 기체
• 액체
• 공기
• 냉각
• 현상
• 온도
• 액체
• 이슬점
• 수증기
• 물방울
• 기상현상

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