개념 한 쪽
증기와 물의 상태 변화는 온도와 압력에 따라 정의되며, 증기의 건도, 포화온도와 증발잠열, 임계온도와 같은 성질을 증기표와 증기선도로 확인한다. 상변화 과정에서 흡수되는 열량과 그에 따른 열역학적 성질(엔탈피·엔트로피)을 표와 공식을 통해 계산한다.
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출제기준 단원 「증기표 및 증기선도, 상태 변화」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 습증기 습도 정의 | 1 | 혼합물에서 증기 질량의 비율을 묻는 문제 |
| 압력 변화와 포화특성 | 1 | 압력 변화에 따른 포화온도와 증발열의 관계를 묻는 문제 |
| 상변화 엔트로피 계산 | 1 | 질량·잠열·절대온도로 엔트로피 변화를 계산하는 문제 |
증기의 건도(dryness fraction)는 혼합된 습증기에서 증기상(기체)의 질량 비율을 나타내며, 전체 질량 대비 증기 질량의 비로 정의한다. 건도가 0이면 순수 액체인 포화수이며, 건도가 1이면 순수 기체인 건증기이고, 0과 1 사이이면 액체와 기체가 공존하는 습증기이다.
상변화 과정에서 필요한 열량은 현열과 잠열로 구분한다. 물을 어떤 온도에서 포화증기로 만들 때 먼저 현열로 온도를 포화온도까지 올리고, 이어서 증발잠열을 흡수하여 기화가 일어나게 한다. 현열은 비열과 온도차, 질량을 곱하여 계산하고, 잠열은 단위질량당 증발잠열과 질량을 곱하여 계산한 뒤 합산하면 총 필요 열량을 구한다.
엔탈피는 물질 단위질량당의 총 열에너지량을 나타내며 상태에 따라 크기가 달라진다. 일반적으로 포화수(h') < 습증기(h) < 포화증기(h'') 순으로 엔탈피가 증가하며, 과열증기는 포화증기보다 온도가 더 높아 단위 중량당 엔탈피가 가장 크다. 따라서 온도와 상태에 따라 엔탈피의 상대적 크기를 판단한다.
압력이 증가하면 포화온도는 상승하고 증발잠열은 감소하는 경향을 보인다. 압력이 높아지면 액체와 기체 사이의 평형 특성이 변해 포화온도가 올라가고, 임계점에 도달하면 증발잠열은 0이 된다. 임계온도는 액체와 기체의 구별이 사라지는 온도로, 그 이상에서는 아무리 압력을 높여도 액체로 응결하지 못하는 초임계 상태가 된다.
상변화와 열역학적 성질을 다룰 때 엔트로피 변화는 흡수된 열량을 절대온도로 나눈 값으로 계산한다. 상변화 시의 엔트로피 변화는 ΔS = Q/T 식으로 계산하며, 여기서 Q는 전체 흡수된 열량(질량×증발잠열)이고 T는 절대온도(K)를 사용해야 한다.
예1: 25℃의 물 5 kg을 1기압에서 100℃의 건조포화증기로 만들기 위한 총 열량을 계산한다. 먼저 25℃에서 100℃까지 가열하는 현열은 비열 1 kcal/kg·℃로 가정하면 1 × (100−25) × 5 = 375 kcal이다. 다음으로 100℃에서의 증발잠열은 문제에서 주어진 539 kcal/kg을 사용하면 539 × 5 = 2695 kcal이다. 총 필요 열량은 현열과 잠열의 합으로 375 + 2695 = 3070 kcal가 된다.
예2: 압력 3 kg/cm²에서 포화온도 132.88℃, 증발잠열 517.1 kcal/kg인 상태에서 물 5 kg을 증발시킬 때 엔트로피 변화량을 계산한다. 전체 흡수된 열량 Q는 5 × 517.1 = 2585.5 kcal이고, 절대온도는 132.88 + 273.15 = 406.03 K이다. 따라서 엔트로피 변화 ΔS = Q/T = 2585.5 / 406.03 ≈ 6.37 kcal/K가 된다.
1 kg 의 습포화증기 속에 증기상(蒸氣相)이 x kg, 액상(液相)이 (1 - x) kg 포함되어 있을 때 습기도는?
정답 ② · 습포화증기 1 kg 중 증기상이 x kg, 액상이 1-x kg일 때 습기도를 구하는 문제이다. 습기도는 습포화증기 전체 질량 중 액상(물)이 차지하는 질량 비율로 정의된다.
습도는 증기 질량 분율이므로, 1kg 중 증기상 x kg의 비율인 x가 정답이다.
물에 대하여 압력이 증가할 때 포화온도 및 증발열의 설명이 옳은 것은?
정답 ③ · 물과 같은 포화 상태의 유체는 압력이 증가하면 끓는점인 포화온도가 올라가게 됩니다. 하지만 액체에서 기체로 상변화가 일어날 때 필요한 잠열인 증발열(기화열)은 압력이 증가하고 포화온도가 상승함에 따라 점차 감소하는 특성을 가집니다.
압력 증가 시 포화온도는 상승하지만, 분자 간 결합이 쉬워져 증발열은 감소한다.
액체와 기체의 구별이 없는 온도는?
정답 ② · 액체와 기체의 구별이 없어지는 온도를 묻는 문제이다. 임계온도에서는 액체와 기체의 밀도가 같아져 두 상의 경계가 사라지며, 임계온도 이상에서는 아무리 압력을 높여도 기체를 액화할 수 없다.
임계온도는 액체와 기체의 구별이 사라지는 특정 온도로, 그 이상에서는 액화가 불가능하다.
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