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잠열

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목차

1. 개요

잠열은 물질의 상(phase)이 변할 때 흡수하거나 방출하는 열을 의미하며, 온도 변화 없이 에너지가 변환되는 현상을 말한다. 1750년경 조지프 블랙에 의해 열역학 연구에 도입되었으며, 융해 잠열, 기화 잠열, 승화 잠열, 응결 잠열 등이 있다. 융해 잠열은 고체가 액체로 변할 때, 기화 잠열은 액체가 기체로 변할 때, 승화 잠열은 고체가 기체로 직접 변할 때 흡수되는 열을 의미한다. 잠열은 냉동, 냉방 장치, 로켓 엔진 등 다양한 분야에 활용되며, 비열 잠열은 물질의 단위 질량당 상 변화에 필요한 에너지 양을 나타내는 강도 성질이다.

2. 잠열의 정의 및 종류

잠열(潛熱, Latent Heat)은 온도 변화 없이 물질의 상태 변화에 관여하는 에너지를 말한다. 예를 들어 얼음과 물이 섞여 있을 때 가열해도, 둘이 함께 존재하는 동안에는 온도가 0°C로 유지된다. 이는 외부에서 가해진 열이 온도 변화 대신 고체→액체 상변화에 사용되기 때문이다. 반대로 수증기가 물로, 물이 다시 얼음으로 바뀔 때는 기화열이나 용융열과 같은 양의 열이 방출된다.

현열(Sensible Heat)은 온도 변화를 동반하는 에너지 전달을 의미한다. 즉, 현열은 물체의 온도를 변화시키는 데 사용되는 에너지이다.

조지프 블랙


'잠열'이라는 용어는 1750년경 조지프 블랙이 열량 측정법에 도입하였다. 그는 스코틀랜드 위스키 생산자들의 의뢰로 증류 과정에 필요한 연료와 물의 양을 연구하면서 이 용어를 사용했다. 블랙은 열역학적 시스템이 열적 평형 상태에서 일정한 온도를 유지할 때, 부피와 압력 등의 변화를 연구했다.

블랙은 얼음이 녹는 과정에서 온도 상승만으로는 설명할 수 없는 많은 양의 열이 필요하다는 것을 발견했다. 또한 액체가 어는 동안에도 온도 감소만으로는 설명할 수 없는 열이 방출된다는 것을 알아냈다. 그는 얼음에서 녹은 물과 단순히 차가운 액체 상태의 물을 비교하여, 얼음이 녹는 데 "잠재적인(숨겨진)" 열이 흡수된다는 결론을 내렸다.

잠열에는 다음과 같은 종류가 있다.

  • '''융해 잠열''': 고체가 액체로 변할 때 흡수되는 열
  • '''기화 잠열''': 액체가 기체로 변할 때 흡수되는 열
  • '''승화 잠열''': 고체가 기체로 변할 때 흡수되는 열
  • '''응결 잠열''': 기체가 액체로 변할 때 방출되는 열
  • '''응고 잠열''': 액체가 고체로 변할 때 방출되는 열

2. 1. 융해 잠열 (Latent Heat of Fusion)

얼음과 물이 섞여 있는 것을 가열해도, 2가지가 함께 존재하는 동안에는 그 온도는 0°C를 유지한다. 이것은 외부에서 가해진 열이 온도를 변화시키는 데에 사용되지 않고 고체→액체라는 상변화를 위해 사용되기 때문이다.

용융 때의 숨은열은 '용융열(또는 융해열)'이라고 한다. 0°C에서 얼음을 완전히 용융시키려면 얼음 1g당 335J의 열량을 가해 주어야 하는데, 이것을 얼음의 '용융열(또는 융해열)'이라고 한다.[3]

잠열은 일정한 온도 과정 동안 몸체 또는 열역학적 시스템에 의해 방출되거나 흡수되는 에너지이다. 잠열의 두 가지 일반적인 형태는 융해 잠열(녹는점)과 기화 잠열(끓는점)이다. 이 이름은 한 상에서 다음 상으로 변화할 때 에너지 흐름의 방향을 설명한다. 고체에서 액체로 변환될 때 융해 잠열이라고 한다.[4]

두 경우 모두 변화는 흡열 반응으로, 시스템이 에너지를 흡수한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 물이 증발할 때, 물 분자가 서로 간의 인력을 극복하고 물에서 증기로 전환하기 위해 에너지 투입이 필요하다.

2. 2. 기화 잠열 (Latent Heat of Vaporization)

액체가 기체로 변할 때(기화) 흡수되는 열을 기화 잠열이라고 한다. 예를 들어, 물이 수증기로 증발할 때, 1기압에서 100°C에서 온도 변화 없이 물 1g당 2255J의 열(기화열)을 흡수한다.[3]

만약 증기가 표면에서 액체로 응축되면, 증발 과정에서 흡수된 증기의 잠열 에너지는 액체의 현열로 표면에 방출된다. 수증기의 엔탈피가 큰 값은 증기가 끓는 물보다 훨씬 더 효과적인 가열 매체이며, 더 위험한 이유이다. 따라서 수증기에 의한 화상에 더 주의해야 한다.

윌리엄 컬렌


1748년, 스코틀랜드의 의사이자 화학자인 윌리엄 컬렌은 다이에틸 에테르가 담긴 용기의 압력을 진공 펌프를 사용하여 낮추는 실험을 진행했다. 에테르는 열이 제거되지 않았지만 끓었고, 온도는 감소했다.[5][6] 1758년, 잉글랜드 케임브리지의 따뜻한 날에 벤자민 프랭클린과 동료 과학자 존 헤들리는 수은 온도계의 구슬을 에테르로 계속 적시고 풀무를 사용하여 에테르를 증발시키는 실험을 했다.[7] 에테르가 증발할 때마다 온도계는 더 낮은 온도를 나타냈고, 결국 약 -13.9°C에 도달했다. 다른 온도계는 실내 온도가 약 18.3°C로 일정함을 보여주었다. 프랭클린은 그의 편지 ''증발에 의한 냉각''에서 "따뜻한 여름날에 사람을 얼어 죽게 할 가능성을 볼 수 있다."라고 언급했다.[8]

기화 잠열을 이용하여 냉각하는 방법은 많은 냉동기나 냉방 장치에 사용된다. 로켓 엔진에서는 추진제를 연소실 벽면에 구성된 관 내를 순환시킴으로써 냉각한다. 대다수의 액체 연료 로켓에서 사용된다.

2. 3. 승화 잠열 (Latent Heat of Sublimation)

고체에서 기체로 상태 변화할 때 필요한 열을 '승화열'이라고 한다. 드라이아이스(고체 이산화탄소)가 그 예시이다.

2. 4. 응결 잠열 (Latent Heat of Condensation)

기체가 액체로 변할 때 (응결) 방출되는 열을 응결 잠열이라고 하며, 이는 기화 잠열과 동일한 양이다. 예를 들어, 수증기가 물로 변할 때 방출되는 서림열(또는 응결열)은 기화열과 같다.[3] 수증기의 엔탈피가 크기 때문에 증기가 끓는 물보다 훨씬 더 효과적인 가열 매체가 되지만, 더 위험하기도 하다.

2. 5. 응고 잠열 (Latent Heat of Solidification)

액체가 고체로 변할 때 (응고) 방출되는 열을 응고 잠열이라고 하며, 융해 잠열과 같은 양이다. 예를 들어, 물이 얼음으로 변할 때 방출되는 열인 응고열은 융해열과 그 크기가 비슷하다.[3]

3. 잠열의 활용

기상학에서 잠열 플럭스는 지구 표면에서 대기로의 에너지 플럭스로, 표면에서의 물의 증발 또는 증산과 그에 따른 대류권 내의 수증기 응결과 관련이 있다. 이는 지구 표면 에너지 예산의 중요한 구성 요소이다. 잠열 플럭스는 일반적으로 보웬비 기술로 측정되었으며, 1900년대 중반 이후에는 와류 공분산 방법으로 측정된다.[3]

1748년, 스코틀랜드의 의사이자 화학자인 윌리엄 컬렌은 진공 펌프를 사용하여 다이에틸 에테르가 담긴 용기의 압력을 낮추는 실험을 진행했다. 비록 에테르로부터 열이 제거되지 않았지만, 에테르는 끓었고 온도는 감소했다.[5][6] 1758년, 잉글랜드 케임브리지의 따뜻한 날에 벤자민 프랭클린과 동료 과학자 존 헤들리는 수은 온도계의 구슬을 에테르로 계속 적시고 풀무를 사용하여 에테르를 증발시키는 실험을 했다.[7] 에테르가 증발할 때마다 온도계는 더 낮은 온도를 나타냈고, 결국 약 -13.9°C에 도달했다. 다른 온도계는 실내 온도가 약 18.3°C로 일정함을 보여주었다. 프랭클린은 그의 편지 ''증발에 의한 냉각''에서 "따뜻한 여름날에 사람을 얼어 죽게 할 가능성을 볼 수 있다."라고 언급했다.[8]

기화 잠열을 이용하는 냉각 방법은 많은 냉동기나 냉방 장치에 사용된다. 로켓 엔진에서는 추진제를 연소실 벽면에 구성된 관 내를 순환시킴으로써 냉각하는데, 이는 액체 연료 로켓에서 주로 사용된다.

수증기의 엔탈피가 크기 때문에 증기는 끓는 물보다 훨씬 더 효과적인 가열 매체로 활용될 수 있지만, 그만큼 더 위험하기도 하다.

4. 역사



'잠열'이라는 용어는 1750년경 조지프 블랙이 열량 측정법에 도입하였다.[9][10] 이는 스코틀랜드 위스키 생산자들의 의뢰를 받아 연구를 시작한 것으로, 증류 과정에 이상적인 연료와 물의 양을 찾기 위한 것이었다. 블랙은 열역학적 시스템이 열적 평형 상태에서 일정한 온도를 유지할 때 부피와 압력과 같은 시스템 변화를 연구했다.

블랙은 얼음이 녹는 과정에서 온도 상승만으로는 설명할 수 없는 훨씬 더 많은 열이 필요하다는 것을 실험을 통해 보여주었다.[11][12] 그는 동일한 양의 두 물을 같은 방식으로 가열하여 온도 변화를 비교했는데, 하나는 얼음에서 녹은 것이고 다른 하나는 단순히 차가운 액체 상태에서 가열된 것이었다. 그 결과, 얼음에서 녹은 물의 온도가 다른 물보다 낮았고, 이를 통해 얼음을 녹이는 데 온도계로 측정할 수 없는 "잠재적인(숨겨진)" 열이 흡수되었다고 결론지었다.[14]

1762년, 블랙은 글래스고 대학교 교수들에게 이러한 연구 결과와 결과를 발표했다.[15] 그는 얼음의 융해열에 대한 실험을 통해, 얼음이 녹는 동안 "가현열"이라고 부르는 형태로 추가적인 열을 저장하며, 이 열은 온도와 같이 느낄 수 있고 측정할 수 있는 형태로 나타난다는 것을 발견했다. 또한, 자신을 드러내지 않는 "잠열"로 저장되는 열도 있음을 확인했다.[16][17]

블랙은 더 나아가 얼음과 같은 질량을 모두 약 0.0°C가 될 때까지 녹이는 데 약 80.0°C의 물 온도가 필요하다는 것을 보여주었다. 이를 통해 얼음을 녹이는 데 필요한 열량을 추정할 수 있었다. 얼음의 융해열에 대한 현대적 값은 동일한 척도에서 143 “열도” (79.5 “섭씨 열도”)이다.[18][15]

블랙은 두 개의 동일한 질량의 물을 균일하게 가열하여 온도를 높이고 증발시켰다. 그는 증발에 830 “열도”가 필요하다는 것을 보여주었다. 이것 역시 소요 시간에 기반한 것이다. 물의 기화열에 대한 현대적 값은 동일한 척도에서 967 “열도”이다.[19]

이후, 제임스 프레스콧 줄은 잠열을 주어진 입자 구성에서의 상호작용 에너지, 즉 위치 에너지의 한 형태로, 그리고 감지 가능한 열을 온도계로 나타나는 에너지로 특징지었고, 후자를 열에너지와 연관시켰다.

5. 비열 잠열 (Specific Latent Heat)

비열 잠열(''L'')은 단위 질량(m)의 물질이 상변화를 완전히 일으키는 데 필요한 열(''Q'')의 양을 나타내는 강도 성질이다. 이는 물질의 특성이며 시료의 크기나 범위에 의존하지 않는다.[3] 공식은 다음과 같다.

:L = \frac {Q}{m}.

여기서 ''Q''는 물질의 상 변화 동안 방출되거나 흡수되는 에너지의 양(kJ 또는 BTU), ''m''은 물질의 질량(kg 또는 lb), ''L''은 특정 물질의 비열 잠열(kJ/kg 또는 BTU/lb)이다. 융해의 경우 ''L''f, 기화의 경우 ''L''v로 표기한다.

주어진 질량의 물질에 대한 잠열은 다음 공식으로 계산할 수 있다.

:Q = {m} {L}

일반적으로 많이 사용되는 물질들의 융해 및 기화 잠열은 아래 표와 같다.

물질융해 잠열(kJ/kg)녹는점(°C)기화 잠열(kJ/kg)끓는점(°C)끓는점(K)승화 잠열(kJ/kg)
에틸 알코올108-114°C85578.3°C351.45 
암모니아332.17-77.74°C1369-33.34°C239.81 
이산화 탄소184-78°C574-78.46°C194.69570 [21]
헬륨  21-268.93°C4.22 
수소(2)58-259°C455-253°C20.15 
납[22]23.0327.5°C8711750°C2023.15 
메테인59-182.6°C511-161.6°C111.55 
질소25.7-210°C200-196°C77.15 
산소13.9-219°C213-183°C90.15 
냉매 R134a -101°C215.9-26.6°C246.55 
냉매 R152a -116°C326.5-25°C248.15 
규소[23]17901414°C128003265°C3538.15 
톨루엔72.1-93°C351110.6°C383.75 
테레빈유  293154°C427.15 
개미산[24]275.468.35°C1010100.75°C373.91300
물3340°C2264.705100°C373.152840


6. 온도(또는 압력)에 따른 잠열 변화

온도(또는 압력)가 임계점으로 상승함에 따라, 기화 잠열은 0으로 떨어진다.

물의 응결 비열은 −25 °C에서 40 °C의 온도 범위에서 다음의 경험적인 3차 함수로 근사된다.[25]

}

여기서 온도 T영어는 °C 단위의 수치이다.

승화와 얼음으로의 증착 비열은 −40 °C에서 0 °C의 온도 범위에서 거의 일정하며, 다음의 경험적인 2차 함수로 근사될 수 있다.[25]

}

참조

[1] 서적 A to Z of Thermodynamics Oxford University Press
[2] 서적 The Essential Dictionary of Science Barnes & Noble Books
[3] 간행물 Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications B.G. Tuebner, Leipzig 1907
[4] 간행물 Theory of Heat Longmans, Green, and Co., London 1872
[5] 학술지 Joseph Black, carbon dioxide, latent heat, and the beginnings of the discovery of the respiratory gases https://www.physiolo[...] 2014-06-15
[6] 서적 The life and letters of Joseph Black, M.D. https://books.google[...] Constable
[7] 웹사이트 The Writings of Benjamin Franklin: London, 1757–1775 http://www.historyca[...] Historycarper.com 2010-09-14
[8] 웹사이트 Founders Online: From Benjamin Franklin to John Lining, 17 June 1758 http://founders.arch[...] 2021-06-30
[9] 문서 OEtymD|latent
[10] 간행물 An Elementary Latin Dictionary 1890
[11] 서적 The Life and letters of Joseph Black, M.D. https://books.google[...] Constable 1918
[12] 서적 Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh https://books.google[...] Mathew Carey 1807
[13] 서적 Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh https://books.google[...] Mathew Carey 1807
[14] 방송 Credit Where It's Due 1979
[15] 서적 Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh https://books.google[...] Mathew Carey 1807
[16] 서적 The life and letters of Joseph Black, M.D. https://books.google[...] Constable
[17] 서적 Lectures on the Elements of Chemistry: Delivered in the University of Edinburgh https://books.google[...] Mathew Carey 1807
[18] 서적 The life and letters of Joseph Black, M.D. https://books.google[...] Constable
[19] 서적 The life and letters of Joseph Black, M.D. https://books.google[...] Constable
[20] 간행물 The Scientific Paper of James Prescott Joule The Physical Society of London
[21] 학술지 Enthalpies of Sublimation of Organic and Organometallic Compounds. 1910–2001 http://aip.scitation[...] 2002
[22] 서적 Yaws' Handbook of Properties of the Chemical Elements Knovel 2011
[23] 학술지 Latent Heat https://physics.info[...]
[24] 웹사이트 Formic acid https://webbook.nist[...] National Institute of Standards and Technology 2024-07-31
[25] 서적 A Short Course in Cloud Physics Pergamon Press


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