포화에 대해 생각해보겠습니다. 예를 들어 물이 담긴 용기에 설탕을 넣고 저으면 투명한물에 하얀 설탕이 점점 물에 녹게 되고 다 녹으면 투명해집니다. 여기에 설탕을 추가하고 저어 녹이고, 다시 설탕을 넣고 녹이기를 반복하다 보면 물에 설탕이 더이상 녹지 않고 설탕 알갱이가 육안으로 보이게 되는 지점을 만나게 됩니다. 이렇게 육안으로 보이기 시작한 설탕물은 더 이상 설탕을 받아들이지 못하는 상태이며 포화 용액이라고 합니다. 이것이 우리에게 익숙한 포화의 개념이고, 우리는 이제 여기에 온도와 압력을 더해 생각해야 합니다.
서론
열역학에서 포화
열역학에서 포화란 기체나 액체의 상변화 현상의 경계로 인식합니다. 상변화는 온도와 압력에 영향을 받으므로 포화상태를 나타낼 때에는 온도와 압력을 함께 생각해야 합니다. 포화가 되었다는 말은 그 온도와 압력에서 물질이 상변화의 경계에 있다는 의미입니다. 물이 든 실린더에 피스톤으로 압력을 조절할 수 있다는 것을 예로 들어보겠습니다. 이 물이 25℃ 1bar 압력 하에 액체 상태로만 있다면 이 물은 아직 포화상태가 아니므로 냉각 상태에 있다고 합니다. 이제 실린더를 가열하면서 피스톤을 움직여 내부를 1bar로 유지한 채 100℃까지 높였다고 해보겠습니다. 이 때 액체인 물은 포화상태에 있으며 포화액체 satuated fluid 라고 합니다. 여기서 1bar로 유지하면서 열을 더 가하면 물은 더 많이 증기가 되고 아직 액체인 물의 온도는 여전히 100℃입니다. 마침내 실린더 내부의 물이 모두 증기가 되었고 실린더 내부 압력이 1bar이고 100℃라면 이 때의 수증기는 포화증기 saturated vapor라고 합니다. 여기에 열을 계속 가하여 130℃가 되었다면 포화상태보다 높은 온도에 있으므로 과열증기superheated vapor 라고 합니다.
지금 예를 물이 1bar의 100℃에서 증기로 상변화하는 것을 들었습니다만, 물이 증기가 되는데 꼭 100℃여야만 할까요? 방안에 물이 담긴 그릇을 놓아두는 것을 떠올려보면 시간이 지나 물이 증발해 그릇이 비워지고 이 때는 100℃까지 필요하지 않고 그저 상온, 약 25℃이면 충분하니 말입니다. 사실 방안의 그릇안에 물이 증발하는 것은 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 분자가 이동하는 물질의 확산 현상입니다. 이 이야기를 굳이 하는 이유는 우리의 생활 속에서 열역학적 현상의 예를 쉽게 발견할 수 있지만 때로는 그 예가 옳지 않아 개념을 이해하는 것에 방해가 될 수도 있다는 것을 염두에 두자는 의미에서 언급해 보았습니다.
과열과 냉각
앞서 들었던 1bar로 일정하게 유지하며 온도가 변하는 예와 더불어 이번에는 온도는 25℃로 일정하게 하고 압력이 변화하는 예를 들어보겠습니다. 일단 0.03bar는 25℃ 물의 증기압입니다. 25℃의 증기상태에 있는 수증기를 온도를 유지하며 압력을 1bar로 올려 압축시키면 기체로 있던 물 분자에 힘이 가해지면서 분자들은 간격이 멀어지기(기체상태로 있기) 어려워져 액체로 상변화하게 됩니다. 이번에는 1bar에서 액체상태로 있는 물의 압력을 낮추어 25℃에 0.03bar가 되면 물이 기체상인 수증기로 변하게 시작합니다. 이렇게 변화하던 압력이 물의 증기압과 같아지면 물은 포화되었다, 포화상태이다 라고 하며, 이 때의 수증기는 포화증기이고, 액체로 있는 물은 포화액체입니다. 압력을 더 낮추어 0.01bar가 되면 존재하던 물은 모두 증기가 되며 이 때 증기는 과열증기라고 합니다. 해당 온도의 증기압보다 낮아 모두 기화되었다면 과열superheated이라고 표현합니다. 이 물의 낮은 압력을 높여 0.03bar가되면 물이 증기에서 액체로 변하기 시작해 액적이 발생하게 되고 다시 포화증기와 포화액체가 생깁니다.
다른 예로 물의 온도를 150℃라고 해보겠습니다. 150℃에서 물의 증기압은 4.7bar이므로 이 때 압력이 4.7bar라면 역시 포화액체와 포화증기가 존재하게 되며, 3.0bar로 증기압보다 낮아지면 물이 모두 증기상태에 있게 되고 이 증기 역시 과열증기입니다. 그리고 만약 압력이 높아져 6.0bar라면 모두 액체상태에 있게 되고 150℃로 높은 온도이지만 증기압보다 높은 압력으로 액체로 있게 되는 이 물은 냉각상태에 있다고 표현합니다.
정리
이와 같이 어떤 물질의 온도와 압력이 기체에서 액체로 또는 액체상태에서 기체상태로 상변화가 발생하는 지점에 존재하면 그 물질이 포화상태가 되었다고 하며, 우리의 상식과는 조금 다르지만 온도가 높더라도 그 물질에 가해지는 압력이 그의 증기압보다 높아 액체상태로 있다면 냉각상태에 있다고 하고 온도가 낮더라도 그 압력이 증기압보다 낮아 모두 증기상태에 있다면 과열상태에 있다고 한다는 것을 기억해둘 필요가 있겠습니다.
