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  안녕하세요, 증기압과 관련해서 질문드립니다.
  글쓴이 : UltraViole…   고유ID : rkrkrkrk     날짜 : 19-06-26 16:23     조회 : 298    
안녕하세요, 기계과 출신으로 석유화학업계에 종사하게 되어 열심히 공부하고 있는 중입니다.
증기압에 대해 검색해보니, '기체가 액체/고체와 동적 평형상태를 이루는 상태에서의 기체의 압력을 포화증기압이라 한다'라는 결과를 얻을 수 있었습니다.
그리고 포화증기압을 측정하는 환경은 밀폐되고 일정한 부피를 갖으며 동적 평형상태를 이룰 만큼의 충분한 액체/고체가 있는 경우라는 것도 알 수 있었습니다.
그런데, 끓는점에 대해 찾아보니 포화증기압이 외부 압력과 같아지는 온도라고 합니다.
여기서 의문점이 있습니다.

 1) 밀폐되고 진공상태였던 용기에서는 동적 평형상태에서의 기체의 압력이 포화증기압이라 하는데, 이것이 외부 압력이 되는것인지요?? 
  1.1) 만일 그렇다면 액체/고체의 증발과 기체의 응축 속도에 의해 동적 평형상태가 되어 포화증기압이 되기 이전부터, '외부 압력 = 증기압 < 포화증기압'이므로 끓는 현상이 발생하나요?  또한 포화증기압 상태에서도 외부 압력 = 포화증기압이므로 계속해서 끓는 현상이 일어나는 건지 궁금합니다.
  1.2) 포화증기압이 외부 압력이 아닌 경우, 외부 압력과 포화증기압이 정확히 무엇을 의미하는 지 궁금합니다.

 2) 열린계에서는 증발이 일어나면서 공기 내 분압의 형태로 증기압이 존재할 것 같은데, 분압이 포화증기압의 크기가 될 때까지 계속해서 증발 속도가 응축 속도보다 빠른 상태가 유지되는 건가요? 
  2.1) 그리고 열린계에서 포화증기압이 외부 압력과 같아지는 건 어떤 상황인지 잘 이해가 가지 않습니다. '대기에 의한 압력 = 해당 기체의 포화증기압' 이라는 건가요?  하지만 대기압에서 물이 끓는 경우에도 해당 위치의 외부 압력이 대기압 1 + 포화증기압 1 = 2기압이 되진 않는 것 같은데요..

 3) 그래서 제가 찾은 증기압에 대한 정의 자체가 맞는 건지 헷갈립니다. 끓는 현상이 일어날 때, 액체/고체 내부에서발생하는 기포가 가지는 압력의 명칭은 무엇인가요?  이것도 증기압인가요?

 4) 마지막으로, 증기 선도에서 습증기의 건도가 0으로 존재할 수 있는 건가요?  증기압에 대해 공부하다 보니, 모든 온도에서 액체/고체 표면으로부터 증발 현상은 일어나는 것이라고 봤는데, 그렇다면 조금이라도 증기가 포함되어 있는 것 아닌가요??

제가 찾아 봤던 내용들이 맞는 것인지부터 헷갈리는데요... 많은 가르침 주시면 정말 감사하겠습니다.

Stefano    19-06-26 20:06
A1) <밀폐>라는 단어가 암시하고 있듯이 <외부>압력과는 관련이 없습니다.  밀폐된 공간에서 혼자(그 물질만의 순수한 상태로) 머물고 있는 경우에는 누워있던지(액상) 일어나 있던지(기상) 그 용기내의 분자들의 활동은 제맘대로이고 그 공간에서 나타내는 <증기압>이 됩니다.

A1.1) 밀폐공간에서 그 액체/고체가 동적 평형상태에 있으므로 <내부압력=증기압>이라는 등식이 성립하고 이 상태가 바로 (그 온도에서) 끓고 있는 상태에 해당합니다.    앞에 설명한 대로 밀폐 공간에서는 <외부압력>과는 전혀 관련이 없습니다.  한분자가 일어나면 일어서 있던 다른 분자는 눕게 됩니다.  기상공간에서의 분자수효(밀도)는 동적평형을 유지하면서 일정하기 때문이지요. 

A1.2) <포화증기압>은 순성분만 존재하는 공간영역에서 그 물질이 평형에 도달한 상태에서 나타내는 <내부 압력>입니다.  여기서도 <외부 압력>은 끼어들 틈이 없습니다.  (관련이 전혀 없습니다.)

A2) 열린 계에서는 다른 물질 (흔히 공기)와 접하고 있는 상태가 되는데 물을 예로 들면 공기중에 수분이 증발(확산)해가는 현상이 일어납니다.    만일 공기가 수분이 포화되어 있지 않다면 공기와 접하고 있는 액상에서는 물이 증발되어 기상으로 확산되어 나갑니다.  일부 응축되는 수분도 있겠지만 수증기 포화공기가 되기 전까지는 물의 증발량(속도)이 응축량(속도)보다 많은 상태가 유지됩니다. 

A2.1)열린계에서 포화증기압이 외부압력과 같아지는 상태는 순성분 증기압이 외부압(대기압)과 같아질 때를 말합니다.  질문에서 표현하고 있는 <  '대기에 의한 압력 = 해당 기체의 포화증기압'  >이 아닙니다.  대기는 공기가 지구의 중력상태에서 나나내는 압력에 해당하나 공기가 수분을 포함하고 있으면 수증기에 의한 압력도 포함애서 <대기압>을 나타냅니다. 

주제가 약간달라지는데.. 대기압에서 물이 끓는다는 것은 물의 온도가 올라가 물의 (순성분) 증기압이 대기압과 같아지는 압력이 됩니다.  그렇다고 해서 100도에서 물의 증기압(1기압)과 대기압(1기압)이 합해져서 2기압이 되는것이 아닙니다.  물이 증발하게 되면 공기를 밀어내고 그 자리를 차지하게 되므로 전체의 압력은 변함없이 1기압이 되고 그 압력에는 물의 증기압이 되는 것이지요.    90도에서의 물의 증기압은 526 torr입니다.  물이 90도에서 공기와 접하여 포화상태의 공기가 되었다면 526 torr는 수증기가 차지하고 있고 나머지 234 torr에 해당하는 부분은 공기가 차지하게 됩니다.  물의 온도가 더 올라가서 100도가 되면 증기압이 760 torr가 되어 공기를 모두 몰아낼 수 있습니니다.  주전자 내에서 물이 끓고 있다면 주전자 내에 들어있던 공기들은 모두 수증기에 의해 쫒겨나게 되고 주전자 내에는 수증기만 존재하지만 압력은 대기압을 유지하고 있습니다.  2기압이 되기전에 공기들은 열린 구멍을 통해 달아나게 됩니다.

A3) 액이 끓고 있을 때에는 액의 표면은 대기와 접하여 대기압 상태에 있는 것이고 액체 내부에 있는 기포는 액의 깊이 만큼의 정압이 더해져서 압력이 더 높습니다.  액이 끓고 있을 때 기포발생부위에서는 100도보다 약간 더 높고 액표면에서는 정확히 100도를 나타냅니다.  온도차이가 크지 않기 때문에 차이가 없어보이지만 압력차가 있으므로 온도차가 나타납니다.  액중에서 나나내는 압력은 예를 들어 101도라고 하면 760.75 torr의 압력으로 기포의 압력이 생성되고 이 압력이 101도에서의 증기압에 해당합니다.

A4) 증기선도에서 습증기 건도 0으로 존재할 수 있습니다.  공기중의 수분을 건조제가 들있는 건조탑을 통과시키면 거의 완전히 제거해 낼 수 있습니다.    그러나 물 혹은 얼음이 공기와 접하고 있는 상태에서는 건조도(상대습도) 0인 상태로 존재할 수 없습니다.  고체얼음의 경우에도 증기압은 존재하기 때문이지요.  겨울에도 동태가 마르는 이유는 얼음도 증발하기 때문입니다. 

아직도 의문이 풀리지 않았다면 추가 질문 바랍니다.
UltraViole… rkrkrkrk   19-06-28 13:01
우선 답변을 늦게 봐서 죄송하다는 말씀 드리며, 자세한 답변 정말 감사드립니다.

A1.1+
 액체/고체가 동적 평형상태에 있어 내부압력=증기압 의 등식이 성립하고, 이 때가 끓고 있는 상태에 해당한다고 말씀해 주셨는데요, 동적 평형상태가 이루어지기 이전에도 기체가 갖는 압력=내부압력이 될 텐데 마찬가지로 그 때도 끓고 있는 상태가 되는 건가요? 

+추가적으로..
 A3에서 예시로 101도에서의 기포의 압력이 760.75 torr로 생성되며, 이 때의 압력이 101도에서의 증기압이라고 말씀해 주셨는데요, 그렇다면 결국 기포가 가진 압력이 대기압보다 높아지는 시점부터 끓는 현상이 일어난다고 이해해도 될까요??
스테파노 Stefano   19-06-28 23:33
(1) 맞습니다.  공기나 다른 물질이 기상에 존재하지 않고 순수하게 그 물질만이 용기내에 존재하고 있으면 그 상태가 증기압=시스템압력이 되는 상태이고 기-액 평형상태에 있는 것이고 그 상태가 끓고 있는 상태가 됩니다.    이 상태는 동적평형을 이루는 상태에 해당합니다.  동적평형상태가 이루어 지지 않았다는 것은  온도, 압력이 평형상태에 이르지 못한상태를 말합니다.  예를들어 액을 용기내에 주입즉시 일부의 증기가 증발하면서 온도가 떨어지고 있다면 그 상태는 평형에 아직 도달하지 않은 상태인셈입니다.

(2) 기포는 액중에서 증발된 증기이고 액에서 기포로 존재할 수 있으려면 액속의 정압보다도 높은 압력으로 존재해야만 합니다.  액의 표면에서는 100도 유지되고 있다고 하면 액중의 온도는 101도로 높아진 상태에 해당합니다.  100도라면 액의 표면에서만 끓는 현상이 나타날 것이고 액중에서 증발증기의 포가 발생할 수  있으려면 (즉 끓어오를 수 있으려면) 액중의 정압이상의 증기압을 나타낼 수 있는 온도에 놓은 상태가 됩니다.   

즉 액의 끓는 점은 액의 표면에서 증기압이 시스템압력과 같아질 때의 온도가 됩니다 .
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