끓음
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1. 개요
끓음은 액체가 끓는점 이상으로 가열되어 액체 내부에서 기포가 발생하며 기화하는 현상이다. 끓는점은 물질의 고유한 특성이며, 외압에 따라 변동한다. 끓음은 열전달 방식과 기포 형성 양상에 따라 자연 대류 끓음, 핵비등, 임계 열유속, 전이 비등, 막비등, 풀 비등, 유동 비등, 밀폐 끓음 등 다양한 종류로 나뉜다. 또한, 끓는점까지 가열되었으나 끓지 않는 과열 상태에서 외부 자극에 의해 갑자기 끓는 돌비 현상이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위한 방법이 있다. 끓임은 요리, 물의 정화, 냉난방, 증류, 화학 반응 등 다양한 분야에 응용된다.
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- 전열 - 단열재
단열재는 열의 이동을 막아 열 손실을 줄이는 데 사용되는 재료이며, 열전도율이 낮은 재료를 사용하여 건물, 의류 등 다양한 분야에서 활용되고, 최근에는 환경 문제 등의 개선 과제가 존재한다. - 전열 - 체온
체온은 생물체의 신체 내부 온도로, 환경 온도와 생체 내 열에너지 생산의 균형에 따라 결정되며, 동물은 항온동물과 변온동물로 나뉘지만 대부분 체온 조절 능력이 있고, 인간은 땀이나 떨림 등으로 체온을 유지하며, 체온 측정은 체온계나 열화상 카메라로 가능하다. - 기체 - 밸브
밸브는 유체의 흐름을 제어하는 장치로, 다양한 크기와 작동 방식을 가지며, 산업 전반과 일상생활에서 널리 사용된다. - 기체 - 배기가스
배기가스는 내연기관이나 산업 공정에서 발생하는 가스 배출물로, 이산화탄소, 수증기 외에도 인체에 유해한 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물, 미세먼지 등을 포함하며 대기오염, 산성비, 기후변화의 원인이 되므로 배출량 저감을 위한 기술적, 정책적 노력이 필요하다. - 상전이 - 녹는점
녹는점은 고체가 액체로 변하는 온도로, 물질의 순도 확인 및 소재 개발에 활용되며, 압력, 불순물, 결정 구조 등의 영향을 받는다. - 상전이 - 승화 (화학)
승화는 고체가 액체 상태를 거치지 않고 기체로 직접 변하는 물리적 변화 과정으로, 드라이아이스나 요오드와 같은 물질에서 나타나며 동결건조, 지문 검출, 고순도 물질 정제 등에 활용된다.
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2. 끓음의 조건 및 현상
액체의 증기 압력은 온도가 상승함에 따라 증가한다. 증기 압력이 외압(액체 표면에 가해지는 압력)과 같아지면 액체 내부에 기포가 발생하여 끓음이 일어난다. 이때의 온도를 끓는점이라고 하며, 외압이 정확히 1 기압일 때의 끓는점을 표준 끓는점이라고 한다.
끓는점은 외압(기압)에 따라 변한다. 외압이 1기압보다 높아지면 끓는점은 상승하고, 낮아지면 하강한다. 예를 들어 물은 1기압에서 약 100°C (정확히는 99.974°C)에서 끓는점에 도달하지만, 기압이 낮은 후지산 정상에서는 약 90°C에서 끓는다. 이 원리는 압력솥에서의 조리, 화력 발전이나 원자력 발전 등에서 응용된다. 비휘발성 물질을 액체에 용해시키면 끓는점 오름 현상이 나타난다.
일반적으로 끓고 있는 액체에서는 기화 현상이 일어난다. 물이 끓을 때 끓는 물 위에 손을 올려 놓으면 수증기에 의해 손이 축축해지는 것을 느낄 수 있다.
2. 1. 끓음의 조건
액체 상태의 물질이 존재해야 하며, 액체의 끓는점 이상의 온도가 필요하다. 액체의 증기 압력은 온도가 올라감에 따라 증가한다. 증기 압력이 외압(액체 표면에 가해지는 압력)과 같아지면 액체 내부에 기포가 발생하여 끓음이 일어난다. 이때의 온도를 끓는점이라고 한다. 외압이 정확히 1 기압일 때의 끓는점을 표준 끓는점이라고 한다.끓는점은 외압(기압)에 따라 변한다. 외압이 1기압보다 높아지면 끓는점은 상승하고, 낮아지면 내려간다. 예를 들어 물은 1기압에서 약 100°C (정확히는 99.974°C)에서 끓는점에 도달하지만, 기압이 낮은 후지산 정상에서는 약 90°C에서 끓는다. 이 원리는 압력솥에서의 조리, 화력 발전이나 원자력 발전 등에서 응용된다.
비휘발성 물질(기체가 되기 어려운 물질)을 액체에 용해시키면 끓는점이 상승한다. 이것을 끓는점 오름이라고 한다.
2. 2. 끓을 때 일어나는 현상
일반적으로 끓고 있는 액체에서는 기화 현상이 일어난다. 이와 같은 원리로, 물이 끓을 때 손을 끓는 물 위에 올려 놓으면 수증기에 의해 손이 축축해지는 느낌을 받을 수 있다.3. 끓는점
원소의 끓는점은 해당 원소의 특성이며, 물과 간단한 알코올을 포함한 많은 단순 화합물에도 적용된다. 끓음이 시작되고 안정적으로 유지되며 압력이 일정하게 유지되면 끓는 액체의 온도는 일정하게 유지된다.
액체의 증기 압력은 온도가 상승함에 따라 증가한다. 증기 압력이 외압(액체 표면에 가해지는 압력)과 같아지면 액체 내부에 기포가 발생하여 끓음이 일어난다. 이때의 온도를 끓는점이라고 한다. 외압이 정확히 1 기압일 때의 끓는점을 표준 끓는점이라고 한다.
3. 1. বিভিন্ন 물질의 끓는점
각 물질은 고유한 끓는점을 가지고 있다. 표준 끓는점은 1기압에서의 끓는점을 의미한다. 다음은 몇 가지 물질들의 끓는점이다.
3. 2. 끓는점 오름
비휘발성 물질(기체가 되기 어려운 물질)을 액체에 용해시키면 끓는점이 상승하는데, 이를 끓는점 오름이라고 한다.3. 3. 압력과 끓는점
액체의 증기 압력은 온도가 상승함에 따라 증가한다. 증기 압력이 외압(액체 표면에 가해지는 압력)과 같아지면 액체 내부에 기포가 발생하여 끓음이 일어난다. 이때의 온도를 끓는점이라고 한다. 외압이 정확히 1 기압일 때의 끓는점을 표준 끓는점이라고 한다.끓는점은 외압(기압)에 따라 변한다. 외압이 1기압보다 높아지면 끓는점은 상승하고, 낮아지면 하강한다. 예를 들어 물은 1기압 하에서 약 100°C (정확히는 99.974 °C)에서 끓는점에 도달하지만, 기압이 낮은 후지산 정상에서는 약 90°C에서 끓는다. 이 원리는 압력솥에서의 조리, 화력 발전이나 원자력 발전 등에서 응용된다.
4. 끓음의 종류
끓음은 열전달 방식과 기포 형성 양상에 따라 여러 종류로 나뉜다. 끓음에는 핵비등과 film boiling영어이 있다.[1]
4. 1. 자유 대류 끓음 (Free Convection Boiling)
낮은 열유속에서 자연 대류에 의해 발생하는 끓음 현상이다. 더 따뜻한 유체는 밀도가 약간 낮아져 상승한다. 이러한 조건은 과열도가 매우 낮을 때만 발생하며, 이는 유체 근처의 뜨거운 표면이 끓는점과 거의 같은 온도를 갖는다는 것을 의미한다.4. 2. 핵비등 (Nucleate Boiling)
핵비등은 가열된 표면에서 기포가 성장하는 것으로, 표면의 개별 지점에서 상승하며, 표면 온도는 액체의 온도보다 약간 높다. 일반적으로 표면 온도가 증가함에 따라 핵 생성 지점의 수가 증가한다.[2][3][4]
끓는 용기의 불규칙한 표면(즉, 표면 거칠기 증가) 또는 유체에 대한 첨가제(계면활성제 및/또는 나노 입자)는 더 넓은 온도 범위에서 핵비등을 촉진하는 반면, 플라스틱과 같은 매우 매끄러운 표면은 과열을 유발한다. 이러한 조건에서 가열된 액체는 끓는 지연을 보일 수 있으며, 온도는 끓는점보다 약간 높게 올라갈 수 있다.
4. 3. 임계 열유속 (Critical Heat Flux, CHF)
임계 열유속(CHF)은 물을 가열할 때 금속 표면에 기포가 형성되는 경우처럼, 가열 중 상 변화가 일어나는 현상에서 열 전달 효율이 갑자기 감소하여 가열 표면이 국부적으로 과열되는 열적 한계를 설명한다. 비등 표면이 임계 온도 이상으로 가열되면 표면에 증기막이 형성된다. 이 증기막은 표면에서 열을 전달하는 능력이 훨씬 떨어지기 때문에 이 지점을 지나 전이 비등 영역으로 온도가 매우 빠르게 상승한다. 이러한 현상이 발생하는 지점은 비등 유체의 특성과 해당 가열 표면에 따라 달라진다.[3]4. 4. 전이 비등 (Transition Boiling)
전이 비등은 핵비등에서 얻을 수 있는 최대 온도와 막비등에서 얻을 수 있는 최소 온도 사이의 표면 온도에서 발생하는 불안정한 끓음 현상이다.가열된 액체에서 기포가 형성되는 것은 복잡한 물리적 과정이며, 종종 캐비테이션과 음향 효과(예를 들어 주전자에서 기포가 표면으로 끓어오르기 전에 들리는 광대역 쉬익 소리)를 포함한다.
4. 5. 막비등 (Film Boiling)
액체가 끓는 표면이 액체보다 훨씬 뜨거우면 막 비등이 발생하며, 이때 열전도율이 낮은 얇은 증기층이 표면을 덮어 열 전달을 막는다. 이러한 증기막이 액체로부터 표면을 분리하는 현상이 막 비등의 특징이다.[1] 끓음에는 핵비등과 막 비등(Film Boiling)이 있다.[1]4. 6. 풀 비등 (Pool Boiling)
풀 비등은 강제 대류 흐름이 없는 비등 현상이다. 대신 밀도 차이에 의해 흐름이 발생한다.4. 7. 유동 비등 (Flow Boiling)
유동 비등은 비등 유체가 일반적으로 파이프를 통해 순환할 때 발생한다.[5] 이 움직임은 발전소와 같이 펌프에 의해 구동되거나 서모사이펀 또는 히트 파이프와 같은 밀도 구배에 의해 구동될 수 있다. 유동 비등에서의 흐름은 종종 기공률 매개변수로 특징지어지며, 이는 시스템 내에서 증기인 부피의 비율을 나타낸다. 이 비율과 밀도를 사용하여 기체 상태의 질량 분율을 나타내는 증기 건도를 계산할 수 있다. 유동 비등은 밀도, 유량 및 열 유속뿐만 아니라 표면 장력의 영향을 받아 매우 복잡할 수 있다. 동일한 시스템에 액체, 기체 및 2상 유동 영역이 있을 수 있다. 이러한 2상 체제는 모든 시스템 중에서 최고의 열 전달 계수를 가질 수 있다.4. 8. 밀폐 끓음 (Confined Boiling)
밀폐된 끓음은 일반적으로 간극 간격을 모세관 길이와 비교하는 본드 수로 특징지어지는 밀폐된 기하학적 구조에서의 끓음을 말한다. 밀폐된 끓음 체제는 Bo < 0.5일 때 주요 역할을 하기 시작한다. 이 끓음 체제는 증기가 떠난 후 남겨진 "증기 줄기 기포"가 지배적이다.[6] 이 기포는 증기 성장의 씨앗 역할을 한다. 밀폐된 끓음은 일반적으로 풀 끓음보다 열전달 계수가 높지만 CHF는 더 낮다. CHF는 2상 계면에서의 증기 운동량 힘이 결합된 표면 장력과 정수압 힘의 균형을 이루어 건조 지점의 되돌릴 수 없는 성장을 초래할 때 발생한다.[7] 밀폐된 끓음은 특히 전자 냉각에 유망하다.5. 돌비 (Sudden Boiling)
끓는점에 도달했음에도 끓지 않는 과열 상태에서 진동 등의 자극을 받으면 갑작스럽게 끓는 현상을 돌비라고 한다[22]. 과학 실험에서는 비등석을 넣어 돌비를 방지한다. 전자레인지, 가스레인지, IH (인덕션) 레인지 등을 사용한 조리 과정에서도 돌비가 발생할 수 있으며, 물뿐만 아니라 두유, 커피, 된장국, 카레 등을 데울 때 용기에 닿거나 젓는 등 미세한 자극으로 인해 고온의 액체가 튀어 화상을 입을 수 있다. 따라서 급격한 가열을 피하는 등 주의가 필요하다[21][22].
5. 1. 돌비 현상
끓는점에 도달했음에도 상전이가 일어나지 않아 끓지 않는 경우가 있는데[21], 이 상태를 과열이라고 한다[22]. 이 과열 상태의 액체에 진동과 같은 자극을 가하면 갑작스러운 끓음이 발생할 수 있는데, 이를 '''돌비'''(突沸, 톳푸츠)라고 한다[22]. 과학 실험에서는 돌비를 방지하기 위해 비등석이라고 불리는 다공질의 돌을 사용한다. 또한, 전자레인지, 가스레인지, IH (인덕션) 레인지 등을 사용한 조리 과정에서도 돌비가 발생할 수 있으며, 물뿐만 아니라 두유, 커피, 된장국, 카레 등을 데우다가 용기에 닿거나 젓거나, 조미료 등을 첨가하는 미세한 자극 등으로 고온의 액체가 격렬하게 튀어 화상을 입는 경우가 있다. 따라서 사고 방지 차원에서 급격한 가열을 피하는 등 주의를 환기하고 있다[21][22].5. 2. 돌비 방지
과열 상태의 액체에 진동과 같은 자극을 가하면 갑작스러운 끓음이 발생할 수 있는데, 이를 '''돌비'''(突沸)라고 한다[22]. 과학 실험에서는 돌비를 방지하기 위해 비등석이라고 불리는 다공질의 돌을 사용한다. 전자레인지, 가스레인지, IH (인덕션) 레인지 등을 사용한 조리 과정에서도 돌비가 발생할 수 있으며, 물뿐만 아니라 두유, 커피, 된장국, 카레 등을 데우다가 용기에 닿거나 젓거나, 조미료 등을 첨가하는 미세한 자극 등으로 고온의 액체가 격렬하게 튀어 화상을 입는 경우가 있다. 따라서 사고 방지 차원에서 급격한 가열을 피하는 등 주의를 환기하고 있다[21][22].6. 끓음의 응용
끓음 현상은 다양한 분야에서 활용된다.
압력솥은 끓는점이 외압에 따라 변하는 원리를 이용한 조리 기구이다. 압력솥은 내부 압력을 높여 물의 끓는점을 100°C 이상으로 상승시켜 음식을 더 빠르고 효율적으로 조리할 수 있게 한다. 화력 발전이나 원자력 발전에서도 물을 끓여 발생하는 증기를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산한다.
끓는 물은 일반적인 상온의 물보다 반응성이 높다. 예를 들어, 마그네슘은 상온의 물과는 반응하지 않지만, 끓는 물과는 반응한다.[1] 염화철(III) 수용액은 끓는 물에 의해 가수 분해가 촉진되어 수산화 철(III) 콜로이드, 염화물 이온, 수소 이온으로 분해된다.[1]
6. 1. 요리
끓이기는 식품에 물을 가하여 100°C에서 끓이는 조리 방법이다.[24] 국, 찌개 등을 만들며 가열하는 중에 식품이 익으면서 맛이 든다.[24] 곡류는 물과 함께 가열하면 녹말이 팽창하고 끈기 있는 호화 상태가 되어 맛이 좋고 소화 흡수가 잘 된다.[24] 하지만 채소류는 비타민 C의 손실이 크고 녹색 색소의 변화가 크다.[24] 단백질이 많이 함유되어 있는 육류, 생선, 알은 높은 온도에서 끓이면 단백질이 응고된다.[24]
끓임은 끓는 물 또는 육수, 우유와 같은 다른 물 기반 액체로 음식을 조리하는 방법이다.[13] 약한 끓임은 부드럽게 끓이는 것이고, 포칭에서는 조리 액체가 움직이지만 거의 거품이 생기지 않는다.[14]
끓여 먹는 봉지는 두꺼운 비닐 봉지에 밀봉된 즉석 식품을 데우거나 조리하는 방법이다. 냉동된 음식이 들어있는 봉지를 정해진 시간 동안 끓는 물에 담근다.[17] 냄비나 프라이팬이 더러워지지 않아 편리하게 요리를 준비할 수 있으며, 야영과 가정 식사 모두에 사용할 수 있다.
6. 2. 물의 정화
물을 소독하는 방법으로, 끓는점인 100°C까지 가열하는 것은 가장 오래되고 효과적인 방법이다. 이는 맛에 영향을 미치지 않고, 오염 물질이나 입자가 존재하더라도 효과적이며, 미생물에 의해 발생하는 대부분의 장 관련 질병을 제거하는 단일 단계 공정이기 때문이다.[8] 적절한 정수 시스템을 갖춘 곳에서는, 긴급 처리 방법이나 황무지 또는 농촌 지역에서 식수를 얻기 위한 방법으로만 권장된다. 이는 화학 독소나 불순물을 제거할 수 없기 때문이다.[10][11]끓는점에서의 미생물 제거는 1차 반응 속도론을 따른다. 고온에서는 더 짧은 시간에, 저온에서는 더 오랜 시간에 제거된다. 미생물의 열 민감도는 다양하며, 70°C에서 지아르디아 종(지아르디아증 유발)은 완전 불활성화에 10분이 걸릴 수 있고, 대부분의 장에 영향을 미치는 미생물과 ''E. coli'' (위장염)는 1분 미만이 걸린다. 끓는점에서는 ''Vibrio cholerae'' (콜레라)는 10초, A형 간염 바이러스 (황달 증상 유발)는 1분이 걸린다. 끓이는 것은 모든 미생물의 제거를 보장하지 않는다. 박테리아 포자 ''Clostridium''은 100°C에서 생존할 수 있지만, 수인성 또는 장에 영향을 미치지 않는다. 따라서 인간의 건강을 위해 물의 완전한 살균은 필요하지 않다.[8]
물을 10분 동안 끓이라는 전통적인 조언은 주로 추가적인 안전을 위한 것이다. 미생물은 60°C 이상의 온도에서 제거되기 시작하며, 끓는점까지 가열하는 것은 온도계 없이도 확인할 수 있는 유용한 지표이며, 이 시간 안에 물은 소독된다. 끓는점은 고도가 높아짐에 따라 감소하지만, 소독 과정에 영향을 줄 정도는 아니다.[8][12]
6. 3. 냉난방
대부분의 냉동 방식과 일부 공기 조절 방식은 기체를 압축하여 액체로 만든 다음 끓게 함으로써 작동한다. 이렇게 하면 주변의 열을 흡수하여 냉장고나 냉동고를 냉각시키거나 건물로 들어가는 공기를 냉각시킨다. 일반적인 액체에는 프로페인, 암모니아, 이산화 탄소 또는 질소가 있다.6. 4. 증류
휘발성 액체 혼합물은 그 혼합물에 특정한 끓는점을 가지며, 성분의 일정한 혼합물을 가진 증기를 생성한다. 이것은 공비 혼합물이다. 이러한 특성을 통해 액체 혼합물을 끓여서 분리하거나 부분적으로 분리할 수 있으며, 이는 에탄올을 물로부터 분리하는 방법으로 가장 잘 알려져 있다.6. 5. 화학 반응
끓는 물은 물을 끓여서 만들며, 상온의 물보다 반응성이 약간 높다. 예를 들어, 마그네슘은 상온에서 물과 반응하지 않지만 끓는 물과는 반응한다.[1] 염화철(III) 수용액은 끓는 물에 의해 가수 분해가 촉진되어 수산화 철(III) 콜로이드, 염화물 이온, 수소 이온으로 분해된다.[1]7. 끓음 관련 표현
'비등(沸騰)'은 본래 물의 흐름이 격렬하게 거품이 일고 솟아오르는 듯한 상태를 가리키는 한자어이다.[23] 시경의 소아 십월지교에는 "백천비등 산총졸붕"이라는 표현이 등장한다. 또한, 물이 끓어오르는 모습에서 전이되어 개인, 집단, 혹은 장(場)의 분위기가 최고조로 달아오르는 모습이나 불만이 폭발하는 모습을 가리키기도 한다.[23] 장행성은 간태종서에서 "유수실도 천하비등"이라고 표현하였다.[23]
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