Q) 1atm, 25도씨 조건에서 물이 가장 안정한데 왜 대기압 조건(교실에서)에서 왜 물의 증발이 가능한 것인가?
상평형도는 닫힌계에서의 조건 및 현상을 나타내고 있다는 것을 인지하셔야 합니다. 만약 아래의 그림과 같은 용기에서 초기에 물만 들어있는 상태에서 1atm으로 물을 눌러주는 상황이라면 물의 증발 과정은 비자발적이고 처음 주어진 상태가 오른쪽 그림과 같이 모두 수증기였다고 하더라도 1atm, 25도씨 조건에서 평형에 도달한 경우 최종적으로는 물만 존재하는 상황이 됩니다.
물의 증발은 물의 표면에 접하고 있는 수증기의 압력이 주어진 온도에서 물의 증기압보다 작은 상황에서 가능한데, 1atm의 압력으로 물을 누르고 있는 상황이라면 순간적으로 수증기가 존재하더라도 25도씨에서 물의 증기압은 1atm보다 작기 때문에 응축이 일어나 최종적으로 평형 상태에서는 수증기가 존재할 수 없습니다.
교실에서 물의 증발이 자발적인 이유는 물의 표면에서 접하고 있는 수증기의 압력이 25도씨에서 물의 증기압에 도달하지 못했기 때문입니다. 25도씨에서 물의 증기압은 24torr정도인데 수증기의 분압이 24torr에 도달하지 못한 경우라면 기체의 전체 압력이 1atm으로 증기압보다 훨씬 더 크다고 하더라도 증발 과정이 자발적으로 진행됩니다.
Q) 물의 상평형도를 보면 1atm에서 끓는점이 100도씨라는 것을 알 수 있는데, 위 설명처럼 상평형도 상에서 y축이 순수한 물만의 압력을 나타내는 것이라면 대기압 조건에서 물이 100도씨에서 끓는 이유는 무엇인가?
일단 물의 끓는점은 두 가지 방식으로 정의할 수 있습니다.
첫 번째로는 수업중 정의한 대로 주어진 압력 조건에서 물과 수증기가 평형상태에서 공존할 수 있는 온도를 의미하구요. 두 번째로는 주어진 압력에서 물이 끓는 온도로 볼 수 있습니다.
여기에서 "끓는다" 라는 표현은 액체 내부에서 기화현상이 벌어져서 기포가 생성되고 이 기포가 유지되어 액체의 표면에서 터지는 상황을 일컫는 말입니다. 액체 내부에 생성된 기포의 경우 압력을 증기압으로 볼 수 있는데(기포 내부 수증기의 압력이 증기압보다 커지면 응축을 통해서 증기압을 맞추려고합니다.) 이 때 액체 표면을 누르는 압력이 증기압보다 큰 경우 액체 내부에 기포가 형성 될 수 없습니다. 따라서 물의 온도를 올리는 과정에서 물의 표면을 누르는 압력에 비해서 액체의 증기압이 작은 상황에서는 끓는 현상이 관찰되지 않다가, 액체의 증기압이 액체 표면을 누르는 압력에 도달하였을 때 끓는 현상이 일어납니다. 이 때의 온도를 끓는점으로 생각할 수 있고, 이렇게 끓는 현상이 일어나려면 액체 표면을 누르는 압력(외부압력)과 액체의 증기압이 동일해져야 하므로, 끓는점을 간단하게 외부 압력과 액체의 증기압이 같아지는 온도로 정의할 수 있습니다.
이렇게 두 가지 방식으로 정의된 끓는점은 동일한 온도를 갖게 되지만 두 정의에서 압력의 의미는 조금 다릅니다.
첫 번째 평형 정의에서 압력의 경우는 물과 수증기가 평형 상태에 있을 때 수증기의 분압에 해당합니다. 아래 그림과 같은 상황에서 기체상태에 수증기밖에 없다면 수증기의 압력이자 피스톤이 누르는 압력에 해당하구요. 만약 혼합 기체 상황이라면 압력은 피스톤을 누르는 압력이 아니라 수증기의 분압을 기준으로 정의해야 합니다. 예를 들어 아래 그림이 25도씨 조건에서 피스톤이 누르는 압력이 대기압인 상황이고 실린더 안쪽 기체도 물만 있는 것이 아니라 일반적인 공기가 들어있는 상황이라면 25도씨에서 평형에 도달했을때 기체의 전체 압력은 1기압, 수증기의 압력은 25도씨에서의 증기압인 24torr정도가 됩니다. 물과 수증기가 평형에 도달한 상태이기 때문에 25도씨를 끓는점으로 정의할 수 있는데 다만 이 때 끓는점은 1기압(760torr)에서의 끓는점이 아니라 24torr에서의 끓는점이라고 생각하셔야 합니다.
두 번째 정의에서 주어진 압력은 액체 표면을 누르는 압력이 됩니다. 끓는 현상을 관찰하기 위해서는 액체 내부에 기포가 생기고 유지가 되어야 하는데 그러기 위해서는 액체의 증기압이 액체를 누르는 압력과 같아져야 합니다. 즉 액체를 누르는 압력이 얼마인가가 중요한 정의입니다. 위와 같은 그림에서 피스톤과 실린더의 마찰을 무시하면 기체의 압력은 계속해서 1기압을 유지하고 따라서 액체를 누르는 압력도 1기압이 됩니다. 이런 상황이라면 끓는 현상을 관찰하기 위해서 물의 증기압이 1기압이 되어야하고 그 전까지는 끓는 현상을 관찰할 수 없습니다. 용기를 가열하다 보면 어느 순간 물의 내부에서 기포가 생기고 이 기포가 유지되어 표면에서 터지면서 활발한 기화 현상이 벌어지는 것을 관찰 할 수 있는데(간단하게 뽀글뽀글) 이 때 온도를 측정하면 100도씨가 됩니다. 100도씨에서 끓는 현상이 관찰되었으므로 100도씨를 끓는점이라고 정의할 수 있는데 다만 이 때는 첫 번째 정의처럼 이 상황에서 수증기의 분압으로 압력을 정의하는 것이 아니라 액체 표면을 누르고 있었던 기체의 전체 압력인 1기압으로 봐야 합니다. 즉 1기압에서의 끓는점이 100도씨입니다.
두 정의는 동등한 정의로 보시면 됩니다. 대기중에서는 물을 누르는 압력이 1기압이기 때문에 100도씨에 끓는 현상이 관찰되고 끓는점이 됩니다. 또한 대기가 아니라 수증기만 존재하는 닫힌계 상황이라면( 위 그림에서 수증기만 용기에 들어있는 경우) 수증기의 압력이 1기압인 상태에서 증발이나 응축이 일어나지 않는 평형 상태를 만들기 위해서는 100도씨의 온도가 유지되어야 하고 이 온도가 끓는점이 됩니다. 즉 두 정의 모두 1기압에서 물의 끓는점은 100도씨가 됩니다.
음악은 표시되지 않습니다.