6.7 Change of Phase

6.7 Change of Phase

 

물은 지표면 부근에서 발생하는 온도와 압력에 의해 고체, 액체, 혹은 기체와 같은 상태에서 다른 상태로 변화한다. 흥미롭게도 물은 지구에서 자연 발생적으로 세 가지 상태(물방울, 빙정, 그리고 수증기)를 유지하는 유일한 물질이다.

 

물은 독특한 열적 특성을 가지고 있는데 이러한 특성은 물을 강력한 열전달 메커니즘으로 만든다. 자연적으로 발생하는 물질들 중 물은 가장 높은 비열용량(specific heat capacity)을 가지고 있다(표 5-4 참조). 이는 물이 다른 물질들에 비해 열에너지를 저장하는 능력이 훨씬 높으며 그 결과로 온도 변화가 거의 일어나지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 특성들은 물을 이상적인 열전달 메커니즘으로 만들 뿐만 아니라 날씨와 기후에도 중요한 영향을 미친다.

6.7.1 Latent Heat

 

잠열(latent heat)이란 물질의 단위 질량이 상전이(phase transition)를 겪을 때 방출되거나 흡수되는 열에너지의 양을 말한다. 잠열의 단위는 보통 줄 당 그램(J/g)으로 표현된다. 그림 6-4는 물이 상전이를 겪을 때 발생하는 잠열 교환 과정을 보여준다.

상전이 도중 물과 그 환경 사이에서 열이 교환된다. 비록 열 교환으로 인해 주변 환경의 온도는 변할 수 있지만 상전이 중인 물의 온도는 상전이가 완료되기 전까지 일정하게 유지된다. 즉, 잠열은 오직 물의 상(phase)을 변화시키는데 사용되며 물의 온도를 변화시키는 데에는 사용되지 않는다.

 

상전이는 총 여섯 가지이며 이 중 세 가지는 물이 환경으로부터 잠열을 흡수하는 과정(melting, evaporation, sublimation)과 관련되며 나머지 세 가지는 물이 환경으로 열에너지를 방출하는 과정(freezing, condensation, deposition)과 관련된다.

 

융해(melting)는 고체가 액체로 변하는 상전이이다. 융해 도중 물은 용융 잠열(latent heat of fusion)로 인해 334 J/g의 열을 흡수한다. 응고(freezing)는 융해의 반대 과정으로 334 J/g의 열을 환경으로 방출한다.

 

증발(evaporation)은 액체가 기체로 변하는 상전이이다. 증발 도중 물은 증발 잠열(latent heat of evaporation)로 인해 2,501 J/g의 열을 흡수한다. 응축(condensation)은 증발의 반대 과정으로 2,501 J/g의 열을 환경으로 방출한다.

 

승화(sublimation)는 고체가 기체로 변하는 상전이이다. 승화 도중 물은 승화 잠열(latent heat of sublimation)로 인해 2,834 J/g의 열을 흡수한다. 증착(deposition)은 승화의 반대 과정으로 2,834 J/g의 열을 환경으로 방출한다.

잠열 교환과 관련된 에너지의 양을 과소평가해서는 안 된다. 일반적인 허리케인의 경우 수증기가 구름과 강수로 응축되면서 하루에 5천2백만 조 줄(J)의 에너지를 방출한다. 이는 2005년 전 세계 일일 에너지 소비량의 약 40배에 해당한다.