증기
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1. 개요
증기는 특정 물질이 임계 온도 이하에서 액체 또는 고체 상태로 존재할 수 있는 온도에서 기체 상태를 의미한다. 온도, 열, 압력에 민감하며, 증기압, 밀도 변화 등의 특성을 가진다. 증기는 구름 형성, 응축, 증류 등 다양한 현상에 관여하며, 증기기관, 증기기관차, 증기터빈 등 동력 발생에 활용된다. 또한, 증기포, 증기압축냉동기, 제지 공정 등 다양한 분야에서 사용된다. 증기의 양은 분압으로 정량화되며, 기압 공식을 따른다.
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| 증기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 임계점보다 낮은 온도에서 기체 상태로 존재하는 물질 |
| 특징 | 기체 상태이지만, 압력을 높이거나 온도를 낮추면 액체로 응축될 수 있음 |
| 관련 정보 | |
| 임계 온도 | "" (섭씨 374도, 화씨 705도) |
| 참고 | 증기와 유사한 개념으로 사용되기도 함 |
| 전자 담배 | 전자 담배와 관련하여 화학적 평가에서 언급됨 |
| 위키낱말사전 | 증기 |
| 영어 표기 | vapor, vapour |
2. 증기의 성질
증기는 적당한 열을 받아 물에서 생성된 기체로, 온도, 열, 압력에 민감하게 반응한다.
'증기'는 어떤 물질이 임계 온도 이하에서 액체 또는 고체 상태로 존재할 수 있는 온도에서의 기체 상을 가리킨다. 증기가 액체 또는 고체 상과 접촉하면 두 상은 평형 상태에 있게 된다. '기체'는 압축성 유체 상을 가리키며, 고정 기체는 해당 온도에서 액체나 고체가 형성될 수 없는 기체이다(예: 일반적인 주변 온도에서의 공기). 액체나 고체가 증기를 방출하기 위해 반드시 끓어야 하는 것은 아니다.
증기는 구름 형성과 응축 과정에 관여한다. 또한 기체 크로마토그래피 전 액체 샘플에서 증류 및 헤드스페이스 추출 같은 물리적 과정을 수행하는 데 사용된다.
증기를 구성하는 분자는 진동, 회전, 병진 운동을 하며, 이러한 운동은 기체 운동론에서 다룬다.
증기압은 특정 온도에서 액체 또는 고체와 평형을 이루는 증기의 압력이다. 액체 또는 고체의 평형 증기압은 액체나 고체 계면과의 접촉량에 영향을 받지 않는다. 액체의 표준 비점은 증기압이 대기압과 같아지는 온도이다.[1]
두 상으로 이루어진 계(예: 두 액체 상)에서 각 상의 증기압은 같다. 비슷한 분자나 서로 다른 분자 간의 강한 인력이 없다면, 증기압은 라울의 법칙을 따른다. 라울의 법칙은 각 성분의 분압이 순수 성분의 증기압과 혼합물에서의 몰분율을 곱한 값과 같다는 것을 나타낸다.[3]
2. 1. 온도, 열, 압력에 대한 민감도
증기는 적당한 열을 받아 물에서 생성된 기체로, 기체의 일반적인 성질에 따라 온도, 열, 압력에 민감하게 반응한다. 따라서 증기를 이용하여 동력을 얻는 과정에서는 이러한 요인들을 고려해야 하며, 열역학적으로 문제를 다루어야 한다. 증기는 압력, 밀도, 속도에 대해 베르누이 식에 맞는 관계를 가지며, 이 관계식은 자동 과정의 열적 조건에 따라 달라진다. 증기의 밀도가 작기 때문에 실제 유로의 높낮이에 따른 위치 에너지는 밀도 변화를 고려해도 큰 문제가 되지 않는다.처음부터 고속의 증기를 얻을 수는 없으므로, 포텐셜 에너지로서 압력이 큰 증기를 발생시켜야 한다. 일반적으로 기체는 압력이 일정 값 이상으로 올라가면 응축되어 액화하는데, 이 값(임계치)은 기체의 온도가 높을수록 높아진다. 한편, 기체를 임계 온도 이상으로 가열하면 아무리 압력을 높여도 액화되지 않는다. 따라서 증기에서 동력을 얻는 경우, 증기압이 수압면에 작용하기까지 팽창 또는 압축 과정에서 액화되어 압력이 낮아지는 일이 없는 고온, 고압의 증기를 사용하는 것이 유리하다. 이러한 증기는 열역학적으로 더 큰 에너지를 가진다.
예를 들어, 응축되지 않는 범위 내에서 압력을 일정하게 유지하고 온도를 100°C에서 200°C로 올리면 부피는 약 25% 팽창한다. 반대로 온도를 일정하게 유지하고 압력을 2배로 높이면 부피는 약 1/2로 줄어든다.
'증기'는 특정 물질이 임계 온도 이하에서 액체 또는 고체 상태로 존재할 수 있는 온도에서의 기체 상을 의미한다. 예를 들어 물의 임계 온도는 374°C이며, 이는 액체 물이 존재할 수 있는 가장 높은 온도이다. 증기가 액체 또는 고체 상과 접촉하면 두 상은 평형 상태에 있게 된다. '기체'는 압축성 유체 상을 지칭하며, 고정 기체는 기체의 온도에서 액체나 고체가 형성될 수 없는 기체(예: 일반적인 주변 온도에서의 공기)를 말한다. 액체나 고체가 반드시 끓어야만 증기를 방출하는 것은 아니다.
증기는 구름 형성과 응축 과정에서 중요한 역할을 한다. 또한 기체 크로마토그래피 전 액체 샘플에서 증류 및 헤드스페이스 추출과 같은 물리적 과정을 수행하는 데 사용된다.
증기를 구성하는 분자는 진동, 회전, 병진 운동을 하며, 이러한 운동은 기체 운동론에서 다루어진다.
2. 2. 증기의 밀도 변화
증기는 온도, 열, 압력에 민감한 기체의 성질을 가지고 있어, 증기로부터 동력을 얻는 과정에서는 이러한 요인들을 고려해야 한다. 증기의 흐름은 압력, 밀도, 속도에 대해 베르누이의 식에 맞는 관계를 가지며, 이는 자동 과정의 열적 조건에 따라 달라진다. 증기의 밀도가 작기 때문에 위치 에너지는 밀도 변화를 고려해도 큰 문제가 되지 않는다.일반적으로 기체는 압력이 일정 값 이상으로 올라가면 응축되어 액화되는데, 이 값(임계치)은 기체의 온도가 높을수록 높아진다. 또한 기체를 특정 온도(임계 온도) 이상으로 가열하면 아무리 압력을 높여도 액화되지 않는다. 따라서 증기에서 동력을 얻으려면 액화되어 압력이 낮아지는 일이 없는 고온, 고압의 증기를 사용하는 것이 유리하다.
'증기'는 어떤 물질이 임계 온도 이하에서 액체 또는 고체 상태로 존재할 수 있는 온도에서의 기체 상을 의미한다. 예를 들어 물의 임계 온도는 374°C이며, 이는 액체 물이 존재할 수 있는 가장 높은 온도이다. 증기가 액체 또는 고체 상과 접촉하면 두 상은 평형 상태에 있게 된다. 반면 '기체'는 압축성 유체 상을 가리키며, 고정 기체는 해당 온도에서 액체나 고체가 형성될 수 없는 기체를 말한다(예: 일반적인 주변 온도에서의 공기).
증기는 구름 형성 및 응축 과정에서 중요한 역할을 하며, 기체 크로마토그래피 전 액체 샘플에서 증류 및 헤드스페이스 추출과 같은 물리적 과정에도 사용된다. 증기를 구성하는 분자는 진동, 회전, 병진 운동을 하며, 이러한 운동은 기체 운동론에서 다루어진다.
2. 3. 증기압
증기압은 특정 온도에서 액체 또는 고체와 평형을 이루는 증기의 압력이다. 액체 또는 고체의 평형 증기압은 액체나 고체 계면과의 접촉량에 영향을 받지 않는다. 액체의 표준 비점은 증기압이 대기압과 같아지는 온도이다.[1]두 가지 상으로 이루어진 계(예: 두 가지 액체 상)에서, 각 상의 증기압은 서로 같다. 만약 비슷한 분자나 서로 다른 분자 사이에 더 강한 종간 인력이 없다면, 증기압은 라울의 법칙을 따르는 경향을 보인다. 라울의 법칙에 따르면, 각 성분의 분압은 순수한 성분의 증기압과 혼합물에서의 몰분율을 곱한 값과 같다. 전체 증기압은 각 성분 분압을 모두 더한 값이다.[3]
3. 증기의 개념 및 역사
증기는 과학 시대에 정립된 개념으로, 대부분의 언어에서 '김'과 관련된 단어로 표현된다.[6] 예를 들어 태국어에서는 '아이넘(ไอน้ำ)'이라고 하며, 증기와 수증기, 김을 구분하지 않는다.[6] 영어에는 steam(김)과 vapor(증기)가 있는데, vapor는 휘발에 가까운 의미로 물과는 거리가 있다고 여겨진다.[6]
3. 1. 과학적 개념
과거에는 응축 여부에 따라 기체와 증기를 구분했으나, 현재는 임계점 이하에서 모든 기체가 액화될 수 있다는 것이 밝혀졌다.[8]'증기'는 동일한 물질이 해당 물질의 임계 온도 이하에서 액체 또는 고체 상태로 존재할 수 있는 온도에서의 기체 상을 가리킨다. (예를 들어, 물의 임계 온도는 374°C(647 K)이며, 이는 액체 물이 존재할 수 있는 가장 높은 온도이다.) 증기가 액체 또는 고체 상과 접촉하는 경우 두 상은 평형 상태에 있다. '기체'라는 용어는 압축성 유체 상을 가리킨다. 고정 기체는 기체의 온도에서 액체 또는 고체가 형성될 수 없는 기체이다(예: 일반적인 주변 온도에서의 공기). 액체 또는 고체는 증기를 방출하기 위해 끓을 필요가 없다.
증기는 친숙한 구름 형성 및 응축 과정을 담당한다. 일반적으로 기체 크로마토그래피 전에 액체 샘플에서 증류 및 헤드스페이스 추출의 물리적 과정을 수행하는 데 사용된다.
증기의 구성 분자는 진동, 회전 및 병진 운동을 가지고 있다. 이러한 운동은 기체 운동론에서 고려된다.
증기는 과학 시대에 생겨난 개념이기 때문에, 대부분의 국가에서 김(湯気)에서 파생된 단어를 사용하고 있다.[6] 예를 들어 태국어에서는 "아이넘(ไอน้ำ)"이라고 하며, 증기와 수증기, 김의 구분이 없다.[6]
원래는 응축되지 않는 것을 기체(gas), 응축되는 것을 증기(vapor)라고 구분했으며, 『촛불의 과학』(1861년 발행) 제2강 서두에는 밀랍 증기 설명에서 주석으로 "여러분은 기체와 증기의 차이를 배워야 합니다. 기체는 영구적으로 기체 상태를 유지하지만, 증기는 응축됩니다.(원문: You must learn the difference between a gas and a vapour: a gas remains permanent, a vapour is something that will condense.)"라는 문장이 적혀 있다.[7]
일본어의 근대적 번역어로서 "蒸気(じょうき)"는 19세기 초 스기타 겐파쿠 등 란학자들이 기존의 한자어 "蒸気"를 차용하여 사용하기 시작한 것으로 여겨진다.[5] 스기타 겐파쿠는 1810년의 『형영야화(形影夜話)』 상편에서 네덜란드어의 『오이트와아츠세밍(uitwaseming)』(피부 등에서의 증발 기화)의 번역어로 "蒸気"를 사용했다.[5]
영어에는 steam(김)과 vapor(증기)가 있으며, 후자는 의미상으로 휘발에 가까우며 물과는 거리가 있다고 여겨진다.[6]
3. 2. 용어의 역사
일본어의 근대적 번역어로서 "蒸気(じょうき)"는 19세기 초 스기타 겐파쿠 등 란학자들이 기존의 한자어 "蒸気"를 차용하여 사용하기 시작한 것으로 여겨진다.[5] 스기타 겐파쿠는 1810년의 『형영야화(形影夜話)』 상편에서 네덜란드어의 『오이트와아츠세밍(uitwaseming)』(피부 등에서의 증발 기화)의 번역어로 "蒸気"를 사용했다.[5]4. 증기의 활용
증기는 물에 적당한 열을 가하여 얻는 기체로, 온도, 열, 압력에 민감하게 반응한다. 증기는 여러 산업 분야에서 에너지, 냉난방, 제조 공정 등에 활용된다.
증기의 흐름은 압력, 밀도, 속도에 대해 베르누이 방정식을 따르지만, 작동 과정의 열적 조건에 따라 달라진다. 증기는 밀도가 낮기 때문에 위치 에너지는 무시할 수 있다.
일반적으로 기체는 압력이 일정 값 이상으로 높아지면 액화되는데, 이 값(임계치)은 온도가 높을수록 높아진다. 특정 온도(임계 온도) 이상에서는 아무리 압력을 높여도 액화되지 않는다.
4. 1. 동력 발생
증기는 물에 열을 가하여 얻는 기체로, 온도, 열, 압력에 민감하게 반응한다. 따라서 증기를 이용하여 동력을 얻기 위해서는 이러한 요인들을 고려해야 하며, 열역학적 관점에서 접근해야 한다. 증기의 흐름은 압력, 밀도, 속도에 대해 베르누이 방정식을 따르지만, 작동 과정의 열적 조건에 따라 달라진다. 증기의 밀도는 낮기 때문에 위치 에너지는 무시할 수 있다.처음부터 고속의 증기를 얻을 수 없으므로, 높은 압력을 가진 증기를 발생시켜야 한다. 일반적으로 기체는 압력이 일정 값 이상으로 높아지면 액화되는데, 이 값(임계치)은 온도가 높을수록 높아진다. 특정 온도(임계 온도) 이상에서는 아무리 압력을 높여도 액화되지 않는다. 따라서 증기에서 동력을 얻을 때는 액화되어 압력이 낮아지는 것을 막기 위해 고온, 고압의 증기를 사용하는 것이 유리하며, 열역학적으로 더 큰 에너지를 얻을 수 있다.
- 증기기관, 증기기관차
- 증기터빈
4. 2. 기타 활용
5. 측정
기체 상태에서 존재하는 증기의 양은 기체의 분압으로 정량화된다. 증기는 일반적인 대기 기체와 마찬가지로 중력장에서 기압 공식을 따른다.[3]
6. 예시
참조
[1]
서적
General Chemistry
Prentice-Hall
[2]
논문
Chemical evaluation of electronic cigarettes
[3]
서적
Physical Chemistry
Pearson Benjamin-Cummings
[4]
서적
Fundamentals of Fire Protection for the Safety Professional
https://books.google[...]
Government Institutes
2005-09-01
[5]
간행물
翻訳語「蒸気」の形成についての試論
https://bunkyo.repo.[...]
文教大学大学院言語文化研究科付属言語文化研究所
2023-11-30
[6]
간행물
ブラジルとアジア諸国の科学用語比較
https://dl.ndl.go.jp[...]
2023-11-30
[7]
위키소스
The Chemical History of a Candle/Lecture II
[8]
간행물
アイスクリームとSEM
http://dptech.dpri.k[...]
京都大学 防災研究所技術室通信 No.50
2023-11-30
[9]
웹사이트
化学パルプ工程 チップを煮込んで繊維を取り出す
https://www.nipponpa[...]
日本製紙グループ
2020-11-01
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