개념 한 쪽
공조냉동기계기사 순수물질의 상평형 — 삼중점·임계점과 습증기 계산
순수물질의 상평형 세트는 임계점과 포화 상태의 성질에서 출발해 건도 계산과 엔탈피 식으로 이어진다. 포화액과 포화증기의 구분이 사라지는 점은 임계점이고, 포화 상태에서는 압력과 온도가 일대일로 대응한다.
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뜻
포화액체와 포화증기의 구분이 없어지는 상태가 고온·고압에서 나타나며, 이 점을 임계점이라 한다. 물의 임계점은 374℃, 22MPa이고, 임계점 이상에서는 액체와 기체의 구분이 사라진다. 삼중점은 0.01℃, 0.611kPa로 고체·액체·기체가 공존하는 점이다.
순수물질은 상이 바뀌어도 화학적 조성이 일정한 물질이다. 포화상태의 물, 물과 수증기의 혼합물, 얼음과 물의 혼합물은 순수물질이지만, 액체 공기와 기체 공기의 혼합물은 조성이 변하므로 순수물질이 아니다.
상평형 상태에서는 각 상의 온도와 압력이 같고 비체적은 다르다. 엔탈피도 일반적으로 같지 않다. 포화 상태에서 압력과 온도는 종속 관계에 있어 하나를 정하면 다른 하나도 정해진다. 압력이 포화압력보다 높으면 압축액체이고, 온도가 포화온도보다 높으면 과열증기다. 임계압력 이하의 액체를 가열하면 증발 현상을 거친다.
포화액을 압력을 일정하게 유지하면서 가열해 포화증기로 만들면 온도는 포화온도에 머물고, 건도가 1이 되며 비체적과 내부에너지가 증가한다. 온도가 증가한다는 설명은 틀리다.
건도 계산은 비체적과 엔탈피 식으로 이어진다. 포화액 비체적과 포화증기 비체적 사이에서 건도 x인 습증기의 비체적은 v=vf+x(vg-vf)다. 0.74L/kg을 0.00074m³/kg으로 바꾸고 x=0.98을 넣으면 0.09070m³/kg이 된다. 습증기의 엔탈피는 h=hf+x(hg-hf)로 구한다. 체적과 질량이 주어지면 전체 비체적을 구해 건도를 계산하고, 증기량은 전체 질량에 건도를 곱한다. 대기압에서 체적 0.01m³의 절반씩 액체와 증기가 차 있으면 전체 질량은 약 4.792kg이고 건도는 0.00062다. 1m³ 용기에 물 5kg이 있고 500kPa이면 증기량은 약 2.66kg이다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 임계점·상평형 — 포화액과 포화증기의 구분이 사라지는 점은 임계점이고, 상평형에서는 온도·압력은 같지만 비체적과 엔탈피는 다르다. ② 포화 상태 — 압력과 온도는 종속 관계이고, 포화액을 정압 가열하면 온도는 변하지 않으며 건도·비체적·내부에너지가 변한다. ③ 순수물질 — 물·물과 수증기·얼음과 물은 순수물질이고 액체 공기와 기체 공기의 혼합물은 아니다. ④ 건도 계산 — v=vf+x(vg-vf), h=hf+x(hg-hf)를 쓰고 전체 질량은 액체 질량과 증기 질량의 합으로 구하며, 단위를 m³/kg으로 통일해 계산한다.
자주 묻는 물음
- 임계점과 삼중점은 무엇인가요?
- 임계점은 포화액체와 포화증기의 구분이 사라지는 점으로, 물은 374℃·22MPa입니다. 삼중점은 고체·액체·기체가 함께 존재하는 점으로 0.01℃·0.611kPa입니다. 임계점 이상에서는 액체와 기체의 구분이 사라집니다.
- 포화 상태에서는 온도와 압력이 어떤 관계인가요?
- 포화 상태에서 압력과 온도는 종속 관계에 있어 하나를 정하면 다른 하나도 정해집니다. 포화액을 압력을 일정하게 유지하며 가열하면 온도는 포화온도에 머물고 건도가 1이 되며 비체적과 내부에너지가 증가합니다.
- 건도와 습증기의 비체적·엔탈피는 어떻게 구하나요?
- 건도는 증기 질량을 전체 질량으로 나눈 값입니다. 습증기의 비체적은 v=vf+x(vg-vf), 엔탈피는 h=hf+x(hg-hf)로 구합니다. 계산 전에 비체적 단위를 m³/kg으로 통일해야 하며, 체적과 질량이 주어지면 전체 비체적에서 건도를 먼저 구합니다.
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