공조냉동기계기사 순수물질의 독립상태량 — 건도·과열증기·임계점·잠열

과열증기는 포화증기에 압력을 일정하게 둔 채 열을 더해 온도를 포화온도보다 높인 상태다. 열을 가하는 조건이 정압이라는 점과 온도가 포화온도를 넘는다는 점이 정의의 핵심이다.

순수물질의 상태는 보통 두 개의 독립적인 강도성 상태량으로 정해진다. 그러나 포화 상태에서는 압력과 온도가 일대일로 묶여 있어 둘을 함께 주면 상태가 정해지지 않는다. 이때는 건도처럼 다른 상태량이 필요하다.

건도는 습증기 전체에서 증기가 차지하는 비율이다. 비체적을 알면 x=(v-vf)/(vg-vf)로 구한다. 습증기의 비체적이 0.2327m³/kg이고 포화액이 1.079×10⁻³m³/kg, 포화증기가 0.5243m³/kg이면 x는 약 0.443이다. 건도는 0과 1 사이에 있어야 한다.

습증기의 엔탈피는 포화액 엔탈피에 건도와 증발잠열을 곱한 값을 더한다. 1MPa에서 포화액 엔탈피 759kJ/kg, 증발잠열 2018kJ/kg, 건도 0.89이면 759+0.89×2018로 약 2555kJ/kg이다. 이를 300℃ 과열증기의 3052kJ/kg까지 올리는 데 드는 열량은 질량 100kg에 엔탈피 차를 곱해 약 49,698kJ이다.

임계점은 액체와 증기의 구분이 사라지는 점이다. 이 점에서는 액체와 증기의 밀도가 같아지고 증발잠열이 0이 된다. 세 가지 상이 함께 존재하는 점은 삼중점이므로 임계점과 구분해야 한다.

정압 비등에서 내부에너지 변화는 증발잠열에서 팽창일을 뺀 값이다. 101.325kPa에서 증발잠열 2257kJ/kg, 비체적이 0.00104m³/kg에서 1.67m³/kg으로 변하면 팽창일은 101.325×(1.67-0.00104)로 약 169kJ/kg이고, 내부에너지 변화는 2257-169=2088kJ/kg이다.

정압 과정에서 주고받은 열은 엔탈피 변화와 같다. 그래서 20℃의 물을 같은 압력의 150℃ 과열증기로 만들 때 흡수한 열량은 두 상태의 엔탈피 차이로 나타낸다.

정압비열은 엔탈피 변화를 온도 변화로 나누어 근사한다. 0.5MPa에서 350℃의 엔탈피 3167.7kJ/kg과 400℃의 3271.9kJ/kg을 쓰면 (3271.9-3167.7)÷50으로 약 2.084kJ/kg·K다.

압력을 일정하게 두고 엔트로피를 늘리면 온도가 올라가므로 엔탈피도 늘어난다. T-s 선도에서 등압선이 오른쪽 위로 향하는 것과 같은 이치다.