개념 한 쪽
순수물질의 상평형은 액체와 기체가 서로 평형을 이루는 상태를 다룬다. 온도와 압력이 평형 조건을 정하고, 임계점에서는 액체와 기체의 구분이 사라진다. 이상기체 근사와 비열 관계, 상태방정식을 이용한 계산이 자주 출제된다.
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출제기준 단원 「순수물질의 상평형」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 이상기체 성질 판단 | 1 | 내부에너지·비열 관계에서 옳지 않은 설명을 가리기 |
| 임계점 정의 확인 | 1 | 포화액체와 포화증기 구분 소멸 상태 이름을 묻기 |
| 이상기체 근사 조건 계산 | 1 | 실제 기체가 이상기체에 가까운 조건을 고르기 |
포화 상태에서 서로 다른 상은 열평형과 기계적 평형을 이루므로 온도와 압력이 동일하다고 설명한다. 즉, 액체와 기체가 공존할 때 두 상의 온도와 압력은 같지만, 밀도나 비체적 같은 성질은 다르다고 정리한다.
임계점은 포화액체와 포화증기의 구분이 사라지는 상태라고 정의한다. 임계온도와 임계압력에 도달하면 액상과 기상 사이의 밀도 차가 없어지고 더 이상 끓음이나 응결이 발생하지 않으며, 그 상태를 지나면 초임계 유체 특성이 나타난다고 설명한다.
평형 상태에서 내부에너지나 엔탈피 같은 열역학적 함수값은 상에 따라 달라질 수 있다고 밝힌다. 즉, 상평형에서는 온도와 압력은 연속적으로 결정되더라도 엔탈피나 엔트로피는 액상과 기상 사이에서 불연속적일 수 있으므로 같은 값을 가진다고 보장되지 않는다고 정리한다.
이상기체 근사는 분자간 인력과 분자 부피의 영향이 무시될 때 성립한다고 말한다. 실제 기체는 고온·저압에서 이상기체에 가장 가깝고, 저온·고압에서는 분자간 상호작용이 커져 이상기체 가정이 부적합하다고 설명한다.
비열 및 기체상수 관계는 Mayer 관계식과 비열비 정의로 정리한다. 이상기체에서는 Cp-Cv=R이 성립하고 비열비 k는 Cp/Cv로 정의된다고 정리한다.
평균 비체적을 이용한 상변화 방향 판단을 예로 든다. 체적 1m³에 질량 50kg의 물이 있으면 평균 비체적은 1÷50=0.02m³/kg이 된다. 주어진 임계점 비체적이 0.003155m³/kg보다 평균 비체적이 크므로 가열 시 증기가 응축되어 액체 비율이 증가한다고 판단한다.
정압비열 계산 예를 하나 제시한다. 정압비열은 cp=Δh/ΔT로 정의되므로, 엔탈피가 3164.7kJ/kg에서 3271.9kJ/kg으로 50K 상승하면 Δh=107.2kJ/kg이고 cp≈107.2/50≈2.144kJ/kg·K로 계산한다고 설명한다.
Joule의 실험에 의하면 이상기체의 내부에너지는 온도만의 함수이다. 이의 결과에 합당하지 않은 것은?
정답 ② · 줄의 실험 결과인 이상기체 내부에너지의 온도 의존성과 관련된 설명 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 이상기체에서 내부에너지 u와 엔탈피 h는 온도만의 함수이므로, cp = ∂h/∂T와 cv = ∂u/∂T로 정의되는 두 비열도 온도의 함수이지 일정하지 않다.
이상기체의 내부에너지와 엔탈피는 온도만의 함수이므로 정압비열과 정적비열도 온도의 함수이나 일정하지는 않다.
포화액체와 포화증기의 구분이 없어지는 상태가 물의 경우 고온고압에서 나타난다. 이 상태를 무엇이라고 부르는가?
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.
실제 기체가 이상기체에 가장 가까울 때는?
정답 ① · 실제 기체가 이상기체 거동에 가장 가까워지는 조건을 묻는 문제이다. 이상기체는 분자 간 인력과 분자 자체의 부피를 무시하는 가정이므로, 분자 운동이 활발하고 분자 간 거리가 먼 조건에서 잘 성립한다.
분자 간 인력과 분자 부피가 무시될 때 이상기체 법칙을 따르므로, 분자 운동이 활발한 고온과 분자 간 거리가 먼 저압에서 이상기체에 가장 가깝다.
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