vapor pressure

1.8 증기압(vapor pressure) 증발은 액체표면으로부터 분자가 이탈하기 때문에 일어난다. 증발된 증기분자는 액체표면 상부공간 속에서 분압을 형성한다. 이때의 분압을 증기압(vapor pressure)이라 한다. 액체 상부공간이 밀폐되어 있다고 가정하면, 충분한 시간이 경과한 후에는 상부 공간에서 운동하고 있는 증기분자가 액체표면에 충돌하여 다시 응축되는 분자의 수와 액체표면을 탈출하여 증기가 되는 분자의 수가 동일하게 되어 어느 시간 동안 평행상태를 유지하게 될 것으로 기대된다. 평형상태에 있을 때 공간의 증기분압을 포화증기압이라 말하고, 보통 어느 온도에서 유체의 증기압이라 함은 이 포화증기압을 의미한다. 액체 상부공간의 압력(총압력)이 액체의 증기압과 같아질 때 비등이 일어난다. 예를 들어, 물의 비등은 압력을 충분히 낮추면 상온에서도 일어날 수 있다. 20℃에서 물의 증기압은 2.447kPa이고, 수은은 0.173 Pa이다.

 액체 내부에서 증기의 기포가 형성되는 비등 현상은 액체의 절대압력이 증기압에 도달할 때 일어난다. 부엌에서 흔히 볼수 있는 것처럼, 표준 대기압에서의 물은 온도가 212 F(100。C)일 때 비등한다. 즉 212 。F인 물의 증기압은 14.7psi(abs)이다. 그러나 예를 들어, 기압이 10,1psi 인 10,000ft 의 높은 고도에서 물을 비등시키려고 한다면 물이 약 193。F가 될 때부터 비등하기 시작한다는 것을 알 수 있다. 이 온도에서 물의 증기압은 10.1psi(abs)이다. 따라서 액체에 작용하는 압력이 일정하게 주어진 경우에는 온도를 높임으로써, 그리고 온도가 일정하게 주어진 경우에는 압력을 낮춤으로써 비등을 유도할 수 있다.  

 많은 액체유동의 경우에 그 계의 어떤 위치에서 압력이 매우 작아서 증기압과 같거나 그 이하가 될 수도 있다. 이때 액체가 순간적으로 기체로 변한다. 이런 현상이 공동(cavitation)현상이다. 증기공동이 급격히 팽창했다가 압력이 증기압 이상인 영역으로 흘러 들어가면 공동이 붕괴된다. 이와 같은 증기 기포의 성장과 소멸은 펌프나 터빈 등 유체기계의 운전에 영향을 미치고 공동영역에서 금속부위를 부식시키는 결과를 가져올 수 있다.   

순수한 물질의 경우 액체–기체 공존 곡선의 끝부분에는 임계점( Pc, Tc) 이 존재하며, 그 점에서는기체와 액체상의 성질이 거의 비슷하게 되어 독립된 상들로 더 이상 구별할 수 없다. 따라서 Tc는 기체의 응축이 가능한 최고 온도이며, Pc는 액체가 가열될 때 끓게 되는 최고 압력이다. 여러 가지 물질에 대한 임계압력 Pc, 임계부피 V 및 임계온도 Tc가 임계점에서의 압축인자Zc PcVc / R Tc 및 Boyle 온도 TB와 함께 표 1 . 2에 주어졌다. 임계현상은 그림 1 . 1 1의 3차원 표면을 P V 평면에 투영시킨 것을 사용할 때 가장 쉽게 논할 수 있다. 그림 1 . 1 2는 L, G 및 L G로 표지된 P V 도시의 부분만을 나타낸다. 계의 상태가 이 도시에서 L G 영역 중의 한 점으로 나타내질 때, 그 계는 서로 평형을 이루고 있는 한 액체와 한 기체2개의 상을 포함한다..

액체와 기체의 몰 부피는 계의 상태를 나타내는 점을 통과하여 V 에 평행한 수평선을 그려, 이 선이 L G 영역에 대한 경계선과 교차하는 점을 찾음으로써 구할 수 있다. 한 상의상태와 그와 평형을 이루고 있는 다른 상의 상태를 연결시킨 이러한 선을 맺음선(tie line) 이라 한다. 그림 1 . 1 2에서 2개의 맺음선을 볼 수 있다. 이 경우, 압력은 액체의 평형증기압이다. 온도가 올라가면 맺음선이 짧아지게 되며, 이 때 액체의 몰 부피와 기체의 몰 부피가 서로 접근하게 된다. 임계점 c에 서는 맺음선이 사라지고, 액체와 기체를 구별할 수 없게 된다. 임계온도보다 높은 온도에서는 단일한상만이 존재한다.

임계점에서 ( P / V)Tc 0이기 때문에 등온압축률[ V 1( V/ P )T, 이 무한히커지게 된다. 임계점 부근에서처럼 등온압축률이 매우 커지면 유체를 압축시킬 때 소요되는 일이 매우 적게 된다. 따라서 중력은 유체관의 높이가 단 몇 센티미터만 높아져도 중력에 의한 밀도 차이가1.7 임계현상 ─ 1710% 이상 크게 될 정도로, 용기의 상단과 바닥 사이에 큰 밀도 차이를 이룬다. 이 때문에 임계점 근처에서는 PV 등온선을 결정하기 어렵다. 이들 큰 밀도 차이 또는 자발적인요동( f l u c t u a t i o n ) 은 거시적인 거리에 걸쳐서 확장될 수 있다. 그 거리는 가시광선의 파장 또는 더 큰 파장만큼 클 수도 있다. 밀도의 요동은 굴절률의 요동을 동반하기 때문에 광선은 강하게 산란되는데, 이를 임계유탁( c r i t i c a lo p a l e s c e n c e ) 이라 한다.