잠열

 潛잠길 잠 熱더울 열 잠열 latent heat 즉 숨어있는 열이라는 뜻으로 예를 들면 100℃의 액체상태의 물 중에 1g이 100℃ 증기가 될 필요한 열은 540cal인데도 그 물의 온도는 100℃로 그대로이기 때문입니다. 단지 상태만 액체에서 기체로 변하였을 뿐입니다. 다른 예를 들어보겠습니다. 1g의 얼음이 녹아 물이 될 때 얼음은 고체에서 액체인 물로 상태만 변하였는데 이 때 80cal의 열을 흡수합니다. 이처럼 잠열은 고체와 액체, 액체와 고체사이에서 그 상태가 변할 때 방출하거나 흡수하는 열을 말합니다.

 

 

 

잠열의 발견

18세기 이전의 과학자들은 열소이론으로 열이 물질의 하나라고 인식하고 있었고 온도계를 사용하여 측정된 값과 물질에 내포된 열의 양이 서로 같다고 여겼습니다. 그래서 100℃의 물이 기화하여 100℃의 증기가 되어도 측정된 값이 일정하였으므로 그 변화에 열이 필요하다는 사실을 알지 못했습니다. 즉 잠열의 존재를 몰랐던 것입니다.

영국의 윌리엄 쿨렌William Cullen이 18세기중반 에테르가 담긴 용기와 진공펌프를 이용한 실험을 했습니다. 진공펌프를 연결한 용기에 에테르를 넣고 펌프를 작동시켜 내부 압력을 대기압보다 낮추니 에테르가 끓었고 이 때 용기의 표면온도가 낮아지는 것을 발견하였습니다. 쿨렌은 이 현상을 이용하여 에테르 대신 물을 용기에 넣고 압력을 낮추어 물을 증발시킴으로써 발생하는 냉각효과로 얼음을 만드는 장치를 고안하게 됩니다.

스코틀랜드의 화학자 조세프 블랙Joseph Black은 두 개의 용기에 각각 0℃의 얼음과 동일 질량의 0.5℃의 물을 넣어 내부 온도가 8℃인 방에 넣고 관찰을 하였는데, 물이 든 용기의 물이 4℃에 도달하는 데는 30분이 소요가 되는 반면, 얼음의 경우는 물이 되고 그 물이 4℃가 되는데 약 10시간이 걸리는 것이었습니다. 두 용기의 재질과 놓인 위치나 상황이 모두 같다는 전제하에 물이 들어있는 용기보다 얼음이든 용기가 동일 조건에 도달할 때까지 20배나 되는 열이 전달되었다는 것을 의미합니다. 이 현상을 두고 조세프는 얼음에 흡수된 열이 녹은 물에 숨겨져 있다고 표현하여 잠열의 존재를 시사했지만, 이 현상은 열소는 소멸하거나 변화하지 않는다고 하는 당시의 열소이론으로는 열이 물질에 숨는다는 것이 설명되지 못하였습니다. 때문에 열은 열소가 아닌 물질의 구성 입자들의 운동으로 해석되어야 한다는 주장이 힘을 얻게 됩니다.

입자운동인 열

열의 본질을 입자의 운동으로 보아야 한다는 이론은 오늘날 우리가 알고 있는 열의 정의와 가깝습니다. 이 이론을 보면, 물질을 구성하는 입자들은 일정한 속도로 항상 운동합니다. 이 입자들 사이에는 항상 인력이 존재합니다. 이 물질에 열이 전달될 경우 입자들의 운동에 2가지 영향을 주게 됩니다. 하나, 입자의 운동 속도가 올라가서 운동에너지가 증가하게 됩니다. 둘, 입자의 운동에너지와는 별개로 입자 사이의 간격을 멀어지게 하여 위치에너지가 증가하게 됩니다. 이 두가지 경우에서 입자의 속도가 증가하여 운동에너지가 증가하게 되면 물질의 온도가 올라가게 되고 온도계로 측정이 가능한 열, 현열sensible heat가 됩니다. 입자의 운동에너지는 그대로이지만 입자 사이가 멀어져 위치에너지가 증가하게 되면 온도계로는 측정할 수 없지만 물질의 상변화가 일어나는 잠열latent heat이 된다고 하는 것이 당시의 열을 입자의 운동으로 보아야 한다는 이론입니다. 그리고 잠열의 개념은 현재 우리가 사용하는 개념과 같습니다.

잠열의 크기는 잠열이 물질에 전달되어 분자 사이의 거리가 멀어져 상변화를 할 때 분자의 간격이 얼마나 멀어지는가에 달려있습니다. 예를 들면 물이 증발하여 증기가 될 때에는 540cal/g(물의 증발열) 이지만, 얼음이 물이 될 때에는 80cal/g(물의 용융열) 입니다. 기체의 분자간격이 물보다 넓은 것을 보면 알 수 있습니다.

온도와 압력과 잠열

화학 공정에서 수증기의 잠열이 매우 중요합니다. 수증기는 차가운 물체와 접촉하면 많은 양의 열을 방출하며 액화되기에 화학공정에서 액체나 기체를 가열할 때 수증기의 잠열을 열원으로 쓰게 되므로 가열장치를 설계할 때 수증기의 잠열에 대한 정보는 필수적입니다. 또한 화학공정간 열공급의 대부분은 열교환기 내부에서 일어나게 되는데, 이 때 열교환기 내부의 온도, 압력 등의 조건에 따라 액화하는 증기의 상태가 달라지게 되며, 이 상태는 발생하는 잠열의 크기에 영향을 끼치게 됩니다. 그래서 온도와 압력에 따른 수증기의 응축시 발생하는 잠열에 대한 정보를 수증기 표steam table에 수록해 두고 사용합니다.

예시 표에서 보는 것처럼 여러 정보가 있지만 가장 중요한 것은 잠열입니다. 그리고 그 잠열의 크기가 온도와 압력에 따라 변화한다는 사실을 알아야 합니다. 증기압에서 예시로 들었던 증기압 곡선을 보면, 물이 기화하거나 응축하는 온도와 압력은 항상 물의 증기압 곡선 상에 있습니다. 1bar 대기압의 수증기가 100℃에서 액화하고, 15.5bar에 있는 수증기는 200℃에서 액화하는 것을 예로 들면, 이 두가지의 경우 1g 수증기가 액화하는 잠열은 각각 540cal/g 과 463cal/g으로 서로 다릅니다. 압력이 높을수록 그 잠열은 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 다시 말해 액화하는 응축이 일어나는 조건이 임계점에 가까워질 수록 잠열이 감소한다는 것이고 이는 에너지의 차이가 작아진다 것을 의미합니다. 그 이유는 액화가 일어날 때 기체상과 액체상의 온도는 같기 때문에 두 상을 이루는 분자들의 운동에너지는 같지만, 분자 사이의 간격은 기체상일때가 너 넓으므로 높은 위치에너지를 갖게 됩니다. 이 때 압력이 높아지면 액체상일때는 크게 차이가 없지만 기체상의 분자들은 간격이 좁아지게 됩니다. 이는 위치에너지가 감소되는 것을 의미하며, 매우 높은 압력에서는 결국 액체상과 기체상의 차이가 거의 없어지게 됩니다. 만약 수증기가 임계점 221bar, 374℃에 이르면, 두개의 상이 동일해져서 상변화라는 현상이 사라지게 되고 이때 잠열은 0이 됩니다.

 

정리

열역학적으로 잠열을 다시 표현하면, 물질의 상변화가 발생할 때 수반되는 물질의 엔탈피 변화라고 할 수 있습니다. 엔탈피가 물질의 내부에너지와 체적변화에 따른 역학적 에너지를 포괄하는 개념임을 생각하면, 잠열은 액체가 증기로 변하는 상변화에 수반되는 열에너지와 부피변화와 압력변화를 모두 포함한 개념이라는 것을 알아두면 좋습니다.