포화액체와 포화증기의 구분이 없어지는 상태가 물의 경우 고온고압에서 나타난다. 이 상태를 무엇이라고 부르는가?
- 삼중점
- 포화점
- 임계점
- 비점
정답과 해설 보기
정답 ③ · 포화액체와 포화증기의 구분이 없어지는 상태의 명칭을 묻는 문제이다. 압력과 온도가 임계값에 도달하면 액체와 증기의 비체적이 같아지고 기화 잠열이 0이 되어 두 상의 구분이 사라지는데, 이 상태를 임계점이라 한다.
포화액체와 포화증기의 구분이 없어지는 상태를 임계점이라고 한다.
개념 한 쪽
건설기계설비기사 순수물질의 독립상태량 — 임계점과 상태량 관계
순수물질의 상태 변화와 상평형에서 어떤 상태량이 독립적으로 결정되는지를 이해하면 상변화 방향과 물성 변화를 판단할 수 있다. 임계점의 의미, 평형 시 온도·압력의 일치, 그리고 비체적·엔탈피 등 상태량의 거동을 중심으로 정리한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「순수물질의 독립상태량」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 임계점 정의 확인 | 1 | 액체·기체 구분 소멸 상태의 명칭을 고른다 |
| 단열압축 온도 계산 | 1 | 단열 과정 식을 이용해 최종 온도를 계산한다 |
| 밀폐용기 상변화 판단 | 1 | 평균 비체적과 임계 비체적 비교로 응축/기화 방향을 판단한다 |
뜻
임계점은 액체와 기체의 구분이 사라지는 상태로, 포화액과 포화증기의 물성이 동일해지는 지점을 가리킨다. 임계온도와 임계압력에서 비체적 차이가 소멸하므로 더 이상 끓거나 응결하는 상변화가 발생하지 않는다.
포화 상태에서는 기체와 액체가 열평형과 기계적 평형을 이루므로 두 상의 온도와 압력은 동일하다. 그러나 엔탈피나 비체적 등 일부 상태량은 상에 따라 값이 달라 불연속을 보일 수 있다. 따라서 온도와 압력이 같다고 해서 모든 상태량이 같다고 볼 수는 없다.
혼합 상태의 거동 판단에는 평균 비체적과 임계점 비체적의 비교가 핵심이다. 밀폐 용기 내 평균 비체적이 임계점 비체적보다 크면 가열 시 응축이 발생하고, 작으면 기화가 진행된다는 비교 규칙이 제시된다. 이 규칙은 밀폐 용기에서의 상변화 방향을 빠르게 결정하는 기준이 된다.
비열 관련 문제에서는 정의와 적분 절차를 정확히 적용해야 한다. 정압비열은 엔탈피 변화량을 온도 변화량으로 나눈 값이며, 비열이 온도의 함수일 경우에는 열량을 구할 때 Cp를 온도에 대해 적분해야 한다. 또한 이상기체의 기체상수는 Cp에서 Cv를 빼서 구한다.
등엔탈피 과정에서 압력 변화에 따른 온도 변화를 나타내는 계수 μJ는 정의에 따라 (∂T/∂P)_h로 표현한다. μJ가 양이면 압력이 감소할 때 온도가 낮아지므로, 이 값을 통해 등엔탈피 과정에서 냉각이 일어나는지를 판단할 수 있다.
예제
예 1 — 밀폐 용기 평균 비체적 비교: 체적 1m³에 물 50kg이 들어있는 경우 평균 비체적은 1÷50=0.02 m³/kg이다. 주어진 임계점 비체적 0.003155 m³/kg과 비교하면 평균 비체적이 훨씬 크므로, 가열 시 증기가 응축되어 액체 비율이 증가한다고 판단한다.
예 2 — 온도 의존 비열의 열량 계산: 질량 5kg의 공기를 정압에서 0℃→100℃로 가열할 때 Cp(T)=1.01 + 4.6×10⁻⁵·T (kJ/kg·℃)이면 Q = m ∫ Cp dT = 5[1.01T + (4.6×10⁻⁵)·T²/2]₀¹⁰⁰ = 5(101 + 0.23) = 506.15 kJ로 계산한다.
대표 기출 3문항
8℃의 완전가스로 가역단열압축하여 그 체적을 1/5로 하였을 때 가스의 온도는 몇 ℃로 되겠는가? (단, k = 1.4 이다.)
- -125℃
- 294℃
- 222℃
- 262℃
정답과 해설 보기
정답 ④ · 기체의 가역단일압축 과정은 P(V^k) = 일정 및 T(V^(k-1)) = 일정이라는 관계식을 만족합니다. 체적이 1/5로 줄어들었으므로 V2 = V1/5입니다.
체적이 D 1m³인 튼튼한 밀폐 용기에 물이 50kg 들어있으며 그 압력은 100kPa이다. 이 포화상태의 물을 가열할 경우 일어나는 변화로 알맞은 것은? (단, 물의 임계점에서의 비체적은 0.003155m³/kg이고 100kPa에서의 포회수 및 포화증기의 비체적은 각각 0.001043m³/kg, 1.694m³/kg 이다.)
- 기화가 일어나 수증기로 바뀌면서 압력과 온도가 올라간다.
- 응축이 일어나 액체 상태로 바뀌면서 압력과 온도가 올라간다.
- 액체와 증기의 비율이 그대로 유지된 채로 압력과 온도가 올라간다.
- 기화가 일어나 수증기로 바뀌면서 압력과 온도는 그대로 유지된다.
정답과 해설 보기
정답 ② · 용기의 전체 체적은 1m3, 물의 질량은 50kg이므로 물의 평균 비체적은 v = V/m = 1/50 = 0.02m3/kg입니다. 100kPa에서 포화수의 비체적 vf=0.001043, 포화증기의 비체적 vg=1.694이므로 평균 비체적 0.02는 두 값 사이에 위치하여 혼합 상태임을 알 수 있습니다.
밀폐 용기 내 비체적이 임계점 비체적보다 크면 가열 시 증기가 응축되어 액체 비율이 증가한다.
자주 묻는 물음
- 임계점이란 무엇인가?
- 임계점은 액체와 기체의 구분이 사라져 포화액과 포화증기의 성질이 동일해지는 상태로, 이 점을 지나면 초임계 유체가 되어 더 이상 끓거나 응결하지 않는다.
- 포화 상태에서 어떤 상태량이 같고 어떤 것이 다른가?
- 포화 상태에서는 두 상의 온도와 압력은 같으나 엔탈피나 비체적과 같은 일부 상태량은 상에 따라 달라 불연속을 보일 수 있다.
- 밀폐 용기 가열 시 상변화 방향을 어떻게 판단하나?
- 평균 비체적을 계산해 임계점의 비체적과 비교한다. 평균 비체적이 임계점 비체적보다 크면 가열 시 응축, 작으면 기화가 일어난다고 판단한다.
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