[열역학] 포화온도, 포화압력

#열역학


물성을 따질 때, 다른 언급이 없다면 순물질이라 가정합니다.

이번 글에서는 Saturation temperature와 saturation pressure에 대해 알아봅시다. Saturation temperature는 포화온도라고 번역되는데, saturation pressure의 경우 한국에서는 포화압력이라고 자주 사용하지는 않는 것 같습니다. 뒤에서 자세히 설명하겠지만 Saturation pressure는 일정온도에서 순물질의 상(phase)이 변화하는 압력을 의미합니다. 즉 고체, 액체, 기체와 같은 대표적인 상들 사이에 일어나는 상전이(혹은 상변화)에 통틀어 적용되는 개념인데, 실제로 열역학적 문제에서는 액체와 기체 사이의 상전이를 자주 다루기 때문에 포화압력보다는 "포화증기압"이라는 용어를 주로 사용하는 것 같습니다.

해서 saturation pressure보다는 saturation vapor pressure 가 많은 사람들에게 보다 익숙한 단어이지만 본 글에서는 원서의 용어를 그대로 사용하는 의미에서 포화증기압이 아닌 포화압력으로 용어를 통일하겠습니다.

Saturation이라는 단어는 우리말로 "포화(상태)"를 의미합니다.

포화라는 것은 더이상 수용하기 어려운 상태라는 의미를 내포하는데, 열역학에서는 더이상 같은 상(phase)또는 같은 상태(state)로 존재할 수 없어 상전이가 일어나는 상태를 의미합니다.

일반적으로 "100도에서 물이 끓는다"라고들 알고 있지만, 이것은 엄밀히 말하면 틀린 말입니다. 온도와 압력은 긴밀한 관계를 가지고 있으며, 상전이 또한 온도 뿐만 아니라 압력의 영향을 함께 받습니다. 위 말을 다시 고치면 "1기압, 100도에서 물이 끓는다."가 됩니다. 2기압에서는 물이 끓는 온도가 올라갑니다.

정리하면, "상전이가 일어나는 온도와 압력은 긴밀한 관계를 맺고 있다."가 됩니다. 단순히 상전이가 일어나는 온도를 "포화온도", 상전이가 일어나는 압력을 "포화압력"이라고 말할 수는 없고, 각각 "특정 압력에서"와 "특정 온도에서"라는 조건이 붙어야 합니다.


아래 그림은 1기압이라는 일정한 압력 하에서 온도가 변할 때 부피V의 변화와 상(phase)을 나타낸 그래프입니다.

상전이가 일어나는 구간인 2~4이 "saturated mixture"라고 표현됩니다. 이 구간에서 액체(liquid)=>기체(vapor)로의 상전이가 일어나는 중인데, 온도가 변하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 물이 다 끓기 전까지는 물의 온도가 100도로 일정하다는 것이죠. 이로부터 "일정한 압력 하에서 상전이 중 물질의 온도는 일정하다"라는 사실 또한 확인할 수 있습니다.

포화온도와 포화압력의 관계를 나타낸 것을 liquid–vapor saturation curve(포화곡선, saturation curve)라고 하는데, 함수로 표현한다면 다음과 같습니다.

아래 곡선은 물의 포화곡선입니다.

liquid-vapor saturation curve of water

1기압(101.3 kPa)에서의 포화온도는 100도이고, 거꾸로 100도에서 포화압력은 1기압(101.3 kPa)입니다. 포화온도와 포화압력을 정리한 표(table) 혹은 포화곡선을 이용해 순물질의 상전이가 일어나는 온도와 압력을 알 수 있습니다.



<용어정리>
포화온도 : 일정한 압력 하에서 상전이가 일어나는 온도
포화압력 : 일정한 온도 하에서 상전이가 일어나는 압력

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