수증기

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 수증기의 성질
3. 지구 대기권의 수증기
4. 지구 밖의 수증기
5. 수증기와 탕기
6. 물과 수증기 (물의 상변화)
7. 수증기의 활용
8. 한국의 관점에서의 수증기 연구 및 활용
참조

1. 개요

수증기는 물이 증발하거나 승화하여 생성되는 기체 상태의 물질이다. 온도가 상승하면 물은 수증기로 변하며, 냉각되면 응축하여 다시 물이 된다. 수증기의 포화 온도와 압력은 중요한 열역학적 특성이며, 습증기, 과냉각수, 과열 증기 등의 상태로 존재한다. 수증기는 증발, 승화, 응결 등의 과정을 거치며, 대기 중의 습도, 구름 형성, 번개 발생 등에 영향을 미친다. 또한, 지구 대기권에서 온실 효과와 기후 변화에 중요한 역할을 한다. 수증기는 식품 가공, 동력원, 난방, 청소 등 다양한 분야에서 활용되며, 혜성, 외계 행성 등 우주에서도 발견된다.

더 읽어볼만한 페이지

습공기학 - 이슬점
이슬점은 기압이 일정할 때 공기 중 수증기가 액체 물로 응결되기 시작하는 온도로, 공기 중 수증기량에 따라 습도를 나타내며, 이슬, 서리, 안개, 구름 생성과 관련되고, 기상 예보, 공압 기기 성능 평가, 인간의 쾌적함에 영향을 미친다.
습공기학 - 서리
서리는 지면이 냉각되어 공기 중의 수증기가 얼어붙어 얇은 얼음 결정이 생기는 현상으로, 농작물에 피해를 주기도 하며, 농업에서는 이를 방지하기 위한 다양한 방법을 사용한다.
물의 형태 - 지하수
지하수는 지구 물 순환의 중요한 부분으로, 전 세계 민물의 20%를 차지하며, 생활, 농업, 산업 용수로 사용되지만, 과다 양수와 오염으로 고갈 위기에 있어 지속적인 관리가 필요한 담수 자원이다.
물의 형태 - 지진해일
지진해일은 해저 지진, 수중 산사태, 화산 폭발 등으로 발생하여 심해에서는 파장이 길지만 해안에서 높이가 급격히 증가해 큰 피해를 주는 해일로, 지진해일 경보 시스템 구축과 방재 대책 수립이 중요하다.
강수 - 눈송이
눈송이는 습도가 높고 영하의 온도에서 육각형 모양으로 성장하는 얼음 결정이며, 온도와 습도에 따라 모양이 달라지고, 크리스마스와 겨울을 상징하는 등 다양한 분야에서 상징적으로 사용된다.
강수 - 서리
서리는 지면이 냉각되어 공기 중의 수증기가 얼어붙어 얇은 얼음 결정이 생기는 현상으로, 농작물에 피해를 주기도 하며, 농업에서는 이를 방지하기 위한 다양한 방법을 사용한다.

수증기
지도 정보
개요
정의	물의 기체 상태
화학식	H₂O
상태 변화	액체 물이 끓거나 증발하여 수증기가 됨, 또는 얼음이 승화하여 수증기가 됨
특성
투명도	눈에 보이지 않는 기체
습도	수증기의 양으로 측정
밀도	공기보다 가벼움
성질	높은 잠열을 가짐 온실 기체의 역할
수증기의 역할
기상학	기상 현상과 날씨 변화에 중요한 역할
기후	지구 온난화에 기여하는 온실 기체 중 하나
산업	증기 기관, 발전소, 산업 공정 등 다양한 분야에 이용
관련 용어
증발	액체가 기체로 변하는 과정
응축	기체가 액체로 변하는 과정
습도	공기 중 수증기의 양
포화 수증기압	특정 온도에서 공기가 최대로 포함할 수 있는 수증기의 양
상대 습도	현재 수증기압과 포화 수증기압의 비율
기타
참고 자료	NASA의 온실 효과 설명 수증기란 무엇인가

2. 수증기의 성질

수증기는 액체 상태의 물이 증발하거나 고체 상태의 얼음이 승화하여 생성되는 기체 상태의 물이다.

일정 압력 하에서 상온의 물을 천천히 가열하면^[72], 어떤 온도(대기압 760 mmHg일 때는 100 ℃)에서 수증기로 변한다.^[73] 가열에 따라 물이 증발하고 전체 부피가 증가하지만, 그 동안 온도는 일정하게 변하지 않는다. 모든 물이 증발하여 기체가 된 후, 천천히 더 가열하면 수증기의 온도는 다시 증가하기 시작한다.

수증기가 된 물을 냉각하면, 같은 경로를 거꾸로 거슬러 올라가 수증기는 응축하여 액체인 물이 된다. 이상의 변화는 물에 국한되지 않고 일반적인 물질에 공통적이다. 일부 물(액체)이 증발을 시작하는 온도를 그 압력에서의 '''포화 온도'''라고 하며,^[74] 반대로 그 압력을 그 온도에서의 '''포화 압력(포화 증기압)'''이라고 한다. 표준 대기압의 물의 포화 온도는 100 ℃이며, 100 ℃의 물의 포화 압력은 760 mmHg = 1013.25 hPa이다. 포화 온도는 압력이 상승함에 따라 상승한다.

포화 온도의 물(액체)을 '''포화수''', 증기를 '''포화 증기'''라고 하며, 포화 온도 이하의 온도의 물(액체)을 '''과냉각수''', 포화 온도 이상의 온도의 증기(기체)를 '''과열 증기'''라고 한다. 과냉각수 또는 과열 증기의 열역학적 상태는 두 개의 상태량(보통은 압력과 온도)으로 지정할 수 있다.

증기 거품이 포함된 물이나 물방울이 포함된 증기는 일반적으로 '''습증기'''라고 불린다. 물과 증기가 열역학적 평형(압력과 온도가 같다)이라면, 포화수(액체)와 포화 증기의 혼합물이다. 습증기라면 압력은 포화 압력이며, 온도는 포화 온도이다. 습증기의 열역학적 상태는 압력 또는 온도 외에, 다음 식의 ''χ'' 를 사용하여 지정할 수 있다.

:''χ'' = (m_vapour) / (m_total)

:m_vapour: 기체의 질량, m_total: 전체 질량

압력이 높아지면 기체의 포화 증기의 비체적(단위 질량당 부피)은 작아지고, 한편 포화수의 비체적은 포화 온도가 높아짐에 따라 조금씩 커져, 어떤 압력에서 포화수와 포화 증기의 상태는 한 점으로 합쳐진다. 이 상태를 임계점이라고 하며, 임계점 이상의 압력에서는 액체와 기체의 구별을 할 수 없게 된다(⇒초임계 유체). 물의 임계점은 압력 22.064 MPa, 온도 373.95 ℃, 비체적 0.0031700 m³/kg이다.

습증기를 밀폐 용기 속에서 천천히 냉각하면, 증기의 일부가 응축됨과 동시에 온도와 압력이 저하된다. 습증기를 유지한 채 어떤 온도에 도달하면, 습증기의 일부에 얼음이 생기고, 온도와 압력 모두 변하지 않는다. 이 상태를 삼중점이라고 하며, 물의 경우 온도 0.01 ℃, 압력 0.0006112 MPa이다. 물의 삼중점은 국제단위계의 온도 정의의 기준점으로 사용되고 있다.

삼중점의 물을 더 냉각하면 물이 얼음으로 변화(응고)하고, 물이 없어지면 온도와 압력이 다시 저하되기 시작하고, 증기가 얼음으로 변화한다(승화). 액체인 물은 삼중점과 임계점 사이의 제한된 압력 범위에서만 존재하게 된다. 이러한 사항들은 물에 국한되지 않고 일반적인 물질에 공통된 성질이다.

2. 1. 증발 (기화)

물 분자가 표면을 떠나 수증기가 되는 것을 기화라고 하며, 증발은 액체 상태의 물이 표면에서 기체 상태로 변하는 현상을 말한다.^[3] 물 분자가 수증기로 될 때 열을 가지고 떠나는데, 이러한 열 작용을 기화 냉각이라고 한다. 이는 증발 과정에서 열을 흡수하여 주변 온도를 낮추는 효과를 발생시킨다.^[3] 만약, 순수하게 기화만 일어난다면, 액체는 수분을 잃어감에 따라 냉각되게 된다.

기화 냉각은 대기의 상태에 따라 제약을 받는다. 공기 중의 수증기의 양은 습도라고 하며, 습도계로 측정한다. 습도의 측정은 크게 절대습도와 상대습도 두 가지 기준이 존재한다. 대기와 물 표면 온도는 포화 수증기압을 결정하며, 상대습도로 100%는 공기 중의 수증기압이 포화수증기압과 같을 때를 나타낸다.

미국 국립기상청(National Weather Service)은 전국 여러 곳의 야외 표준 "팬" 개방 수면에서 실제 증발률을 측정하며, 전 세계 다른 지역에서도 마찬가지로 측정한다.^[4] 미국의 데이터는 수집되어 연간 증발량 지도로 편집된다.^[4] 수영장과 같은 수면의 증발률을 계산하는 데 사용할 수 있는 공식도 있다.^[5]^[6] 일부 국가에서는 증발률이 강수량보다 훨씬 높다.

매질 내 수증기량 측정은 정확도에 따라 직접적 또는 원격적으로 수행할 수 있다. 전자기 흡수와 같은 원격 측정법은 행성 대기 상공의 위성을 통해 가능하다. 직접 측정법은 전자 변환기, 가습 온도계 또는 흡습성 재료를 사용하여 물리적 특성 또는 치수의 변화를 측정한다.

style="width:12em" \|	매질	온도 범위 (°C)	측정 불확도	일반적인 측정 주파수	시스템 비용	참고
슬링 습도계	공기	−10 ~ 50	낮음 ~ 중간	시간 단위	낮음
위성 기반 분광법	공기	−80 ~ 60	낮음		매우 높음
용량성 센서	공기/기체	−40 ~ 50	중간	2 ~ 0.05 Hz	중간	시간이 지남에 따라 포화/오염되기 쉬움
가열된 용량성 센서	공기/기체	−15 ~ 50	중간 ~ 낮음	2 ~ 0.05 Hz (온도 의존적)	중간 ~ 높음	시간이 지남에 따라 포화/오염되기 쉬움
저항성 센서	공기/기체	−10 ~ 50	중간	60초	중간	오염되기 쉬움
염화리튬 이슬점 셀	공기	−30 ~ 50	중간	연속	중간	이슬점 셀 참조
염화코발트(II)	공기/기체	0 ~ 50	높음	5분	매우 낮음	종종 습도 지시 카드에 사용됨
흡수 분광법	공기/기체		중간		높음
산화알루미늄	공기/기체		중간		중간	수분 분석 참조
산화규소	공기/기체		중간		중간	수분 분석 참조
압전 흡착	공기/기체		중간		중간	수분 분석 참조
전해질	공기/기체		중간		중간	수분 분석 참조
모발 장력	공기	0 ~ 40	높음	연속	낮음 ~ 중간	온도의 영향을 받음. 장기간 고농도에 악영향을 받음
네펠로미터	공기/다른 기체		낮음		매우 높음
금박 제작자의 막 (소 막)	공기	−20 ~ 30	중간 (보정 필요)	느림, 저온에서 더 느림	낮음	참조: WMO 기상 관측 장비 및 방법 안내서 8호 2006, (1.12–1쪽)
라이만-알파				고주파	높음	http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 잦은 교정 필요
중량법 습도계			매우 낮음		매우 높음	종종 기본 원천으로 불림, 미국, 영국, EU 및 일본에서 개발된 국가 독립 표준
	매질	온도 범위 (°C)	측정 불확도	일반적인 측정 주파수	시스템 비용	참고

2. 2. 승화

승화는 고체 상태의 얼음이 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체 상태의 수증기로 변하는 현상이다.^[8] 저온 환경에서 얼음이나 눈이 서서히 사라지는 현상의 원인이 된다.^[8] 남극 대륙은 지구상에서 강수량이 가장 적은 대륙이기 때문에 이러한 효과가 특히 두드러지며, 수천 년 동안 쌓인 눈이 승화되어 비휘발성 물질만 남아 있는 광대한 지역이 존재한다. 이는 특정 과학 분야에서 매우 중요한데, 비교할 수 없을 정도로 많은 수의 운석이 탁월한 보존 상태로 노출되어 있는 것을 들 수 있다.^[8]

2. 3. 응결 (액화)

수증기는 자신의 온도보다 차가운 액체의 표면 위에 닿았거나, 혹은 포화 수증기압이 초과되었을 경우에 액화 된다.^[9] 수증기 분자는 열을 지니고 있으며, 수증기가 액체 표면에 액화할 경우, 표면은 가열된다. 반면, 공기 중의 온도는 약간 감소하게 된다.^[10] 대기에서, 액화는 구름, 안개 등을 만들어낸다. 이슬점이란 수증기가 응결하여 이슬이 생길 정도의 차가운 온도를 나타낸다.

표면의 온도가 대기의 이슬점 이하일 경우, 순수한 액화가 발생한다. 기체가 바로 고체가 되는 승화 역시 발생한다. 서리나 눈은 승화의 예이다.

응결이 발생하는 몇 가지 냉각 메커니즘은 다음과 같다.

1) 전도 또는 복사에 의한 직접적인 열 손실.

2) 공기의 상승으로 발생하는 기압 강하로 인한 냉각, 이것은 단열 냉각으로도 알려져 있다. 공기는 산에 의해 위로 휘어지거나, 대류에 의해, 또는 냉전선과 온전선에 의해 상승할 수 있다.

3) 이동 냉각 - 공기의 수평 이동으로 인한 냉각.

2. 4. 수증기압

수증기압은 수증기가 나타내는 압력으로, 대기압 및 기온에 영향을 받는다.^[14] 이슬점 온도 및 상대습도는 물의 순환에서 수증기 과정을 나타내는 지표이다.^[14] 태양광과 같은 에너지는 해수면에서의 보다 많은 기화를 유발시키며, 이와 함께 산 정상 얼음의 보다 많은 승화를 유발한다. 액화와 기화의 균형은 수증기압이라는 수치로 표현된다.^[14]

공기 중의 포화수증기압은 기온 및 수증기 혼합 정도에 따라 차이를 보인다. 포화수증기압을 나타내는 여러 실험적인 공식이 있지만, 그 중에서 가장 자주 사용되는 것은 고프 그래치 식이다.^[14]

:

\begin{align}\log_{10} \left ( p \right ) =& - 7.90298 (\frac{373.16}{T}-1) + 5.02808 \log_{10} \frac{373.16}{T} \\& - 1.3816 . 10^{-7} (10^{11.344 \frac{1-T}{373.16}} -1) \\& + 8.1328 . 10^{-3} (10^{-3.49149 \frac{373.16}{T-1}} -1) \\& + \log_{10} \left ( 1013.246 \right )\end{align}

여기서

T

는 켈빈 단위의 대기 온도이며,

p

는 밀리바 (헥토파스칼) 단위의 압력이다.^[14]

위 식은 대략 -50 ~ 102 °C에서 유효하다. 하지만, 극도로 차가운 물의 수증기압을 측정하는 방법은 그다지 존재하지 않는다.^[14]

물이 끓는점에 이르면, 일반 대기 상태에서 라면 상대 습도에 관계 없이 항상 순수 기화가 발생하게 된다. 사람이 내뿜는 숨은 체온에서 거의 포화 상태이며, 만약 추운 겨울이라면, 이러한 숨은 곧 응결해서, 작은 물방울로 이루어진 안개나 김과 같이 보이게 된다.^[14]

3. 지구 대기권의 수증기

지구 대기권에는 수증기가 조금 존재하지만, 환경에서는 매우 커다란 역할을 수행한다.^[15] 대부분의 수증기는 대류권에 존재한다.^[17] 지구 자체의 온실 효과에 많은 영향을 주는 것 이외에도, 수증기는 구름을 형성하며, 구름은 경우에 따라 지표면을 따뜻하게 하기도, 차갑게 하기도 한다.^[36]^[35] 일반적으로, 대기 중의 수증기는 날씨에 의해 크게 영향을 받고, 또한 반대로 날씨에도 크게 영향을 주는데, 이러한 날씨는 기후에 크게 영향을 받는다. 기체 상태의 물은 지구 대기에서 양적으로는 적지만 환경적으로는 매우 중요한 구성 요소를 차지한다. 지표면 공기 중 수증기의 비율은 -42 °C 에서 0.01%에서 이슬점이 30 °C 일 때 4.24%까지 다양하다. 대기 중 물의 99% 이상은 액체 또는 얼음 형태가 아닌 수증기 형태이며, 수증기의 약 99.13%는 대류권에 포함되어 있다.

안개나 구름은 구름 응결핵 주위로 응결이 일어나서 형성된다. 응결핵이 없다면, 훨씬 더 낮은 온도가 되어야만 응결이 발생한다. 지속적으로 응결이 일어날 경우, 구름 내에 물방울이나 눈 결정이 형성되며, 어느 정도의 질량에 이르면, 강수 현상이 일어난다. 대류권에서 물 분자가 평균적으로 체류하는 시간은 일주일 가량이다. 강수 현상에 의해 물은 대기로부터 사라지며, 바다, 호수, 강, 식물의 증산 작용 등에서 일어나는 증발로 인해 대기로 보충 된다.

수증기 농도는 절대습도와 퍼센트 상대습도로 표현된다. 지구 전체의 연 간 평균 수증기 농도는 만약 순간적으로 응결할 경우 지구 전체 지표면을 25 mm의 두께로 덮을 정도이다. 하지만 지구 전체의 연간 강수량은 약 1 미터이며, 이는 물의 순환이 빠른 속도로 이루어진다는 것을 의미한다.

수증기는 태양 복사로부터의 열에너지를 바람 형태의 기계적 에너지로 변환하는 대기 열역학 엔진의 "작동 매체"이다. 지구 대기 중의 물은 단순히 끓는점(100 °C) 이하일 뿐만 아니라, 대류권계면에서 물의 극성이 강한 인력으로 인해 기온 감률 이하로 내려간다. 양과 결합하면 수증기는 이산화탄소나 메탄과 달리 관련된 이슬점과 서리점을 갖는다.

3. 1. 수증기의 순환

3. 2. 레이다 및 위성 영상

물 분자는 극초단파(microwave) 및 라디오파를 흡수하는 특성이 있어, 대기 중의 수분은 레이다 신호를 감소시킨다.^[48] 또한, 대기 중의 물은 수증기, 액체 또는 고체 상태에 따라 신호를 반사하고 굴절시킨다. 일반적으로 레이더 신호는 대기권을 통과하는 거리가 멀어질수록 점진적으로 세기가 약해진다. 서로 다른 주파수는 서로 다른 비율로 감쇠되어 일부 대기 성분은 특정 주파수에는 불투명하고 다른 주파수에는 투명하며, 방송 및 기타 통신에 사용되는 전파도 동일한 영향을 받는다. 수증기는 물의 다른 두 가지 상보다 레이더를 더 적게 반사하지만, 대기 중에 수증기가 존재하면 대기가 거대한 프리즘처럼 작용한다.^[49]

GOES-12 위성 영상 비교는 지구의 해양, 구름 및 대륙에 대한 대기 수증기의 분포를 보여준다. 수증기는 지구를 둘러싸고 있지만 불균일하게 분포되어 있다. 중간 해상도 이미징 분광 방사계(MODIS) 센서가 수집한 데이터에 따르면, 계절별 온도 변화와 유입되는 태양광이 수증기에 영향을 미치며, 열대 지방에서는 계절 변화에 따라 매우 습한 공기의 띠가 적도의 북쪽과 남쪽으로 이동한다. 적도에서 멀리 떨어진 곳에서는 여름을 경험하는 반구의 수증기 농도가 높고 겨울을 경험하는 반구의 수증기 농도가 낮다. 또한, 육지 지역의 수증기량이 겨울철에 인접한 해양 지역보다 더 많이 감소하는데, 이는 주로 육지의 기온이 겨울에 해양보다 더 많이 떨어지기 때문이다.^[50]

수증기는 가시광선 영역의 빛을 흡수하므로, 이 흡수를 DOAS와 같은 분광학적 응용에 사용하여 대기 중 수증기량을 결정할 수 있다. 이는 ERS(GOME) 및 메톱(GOME-2)의 전 지구 오존 모니터링 실험(GOME) 분광계에서 수행된다.^[51]

3. 3. 번개 형성

수증기는 대기 중의 번개 생성에 매우 중요하다.^[55] 일반적으로 구름은 지구 대기권에 존재하는 정전하를 생성한다.^[55] 구름의 전기 용량은 수증기의 양에 정비례하며, 공기 중의 유전율과 직접적으로 연관되어 있다.^[55] 습도가 낮을 때에는 방전이 쉽고 빠르게 일어나지만, 습도가 높을 때에는 방전이 덜 일어난다.^[55]^[56]

구름이 전하 생성을 시작하면, 대기 중의 수증기는 절연체 역할을 하며, 구름이 전하를 방전시키는 것을 막는다.^[56] 일정 시간이 지난 뒤, 구름이 보다 많은 전하를 생성한다면, 대기 중의 수증기에 의해 형성된 절연체가 파괴되며, 방전이 일어난다.^[56] 방전은 국지적으로 발생하며, 번개가 형성된다.^[57] 번개의 세기는 대기중의 유전율, 전기 용량, 구름의 전하 생성 능력에 직접적으로 비례한다.^[57]

밴더그래프 발전기도 참조하기 바란다.

4. 지구 밖의 수증기

혜성 꼬리가 빛나는 이유는 대개 수증기 때문이다. 혜성이 태양에 접근함에 따라, 혜성이 지니고 있는 얼음이 수증기로 승화하며, 이는 태양으로부터의 빛을 반사한다.^[65] 혜성과 태양의 거리를 알고 있다면, 혜성 꼬리가 빛나는 정도로부터 혜성이 지닌 수분의 양을 유추할 수 있다.

화성을 연구하는 과학자들은 물이 화성 주변을 움직이고 있다면 수증기 형태로 움직일 것이라는 가설을 세웠다.^[64] 화성의 대부분의 물은 북극지방에 얼음의 형태로 존재한다. 화성의 여름동안에, 이 얼음이 승화하면서 대규모의 계절성 폭풍을 유발하며, 이러한 현상은 엄청난 양의 물을 적도지방으로 수송한다는 설명이다.

수증기는 태양계에서, 그리고 다른 행성계에서도 흔히 발견된다. 태양의 대기 중, 특히 흑점에서 그 흔적이 감지되었다. 수증기의 존재는 태양계의 다른 7개의 외계 행성, 지구의 달,^[58] 그리고 다른 행성의 위성들의 대기에서 감지되었지만, 일반적으로 미량에 불과하다.

냉간 간헐천과 같은 지질 형성은 여러 얼음 위성의 표면에 존재하는 것으로 여겨지며, 조석 가열로 인해 수증기를 분출하고 상당한 양의 지하수의 존재를 나타낼 수 있다. 목성의 위성 유로파에서 수증기 기둥이 감지되었으며, 토성의 위성 엔켈라두스에서 감지된 수증기 기둥과 유사하다.^[60] 왜행성인 케레스의 대기의 주요 구성 요소인 것으로 밝혀졌다.^[62]

수증기는 태양계 밖에서도 확인되었다. 페가수스자리에 있는 외계 행성 HD 209458 b의 분광 분석은 태양계 너머의 대기 중 수증기에 대한 최초의 증거를 제공한다. CW 레오니스라는 별은 나이가 많고 질량이 큰 항성 주위를 도는 거대한 양의 수증기 고리가 있는 것으로 밝혀졌다.^[66] 수증기의 증거가 있는 다른 외계 행성으로는 HAT-P-11b와 K2-18b가 있다.^[67]^[68]

5. 수증기와 탕기

수증기는 무색, 무취의 기체 상태이다.^[69] 탕기는 수증기가 응결하여 눈에 보이는 작은 물방울 상태이다.^[69] 안개, 강안개, 온천의 온천 증기, 물을 끓이는 주전자에서 나오는 탕기, 찬 아침의 하얀 입김 등은 물이 증발 후 냉각되어 응결한 것이다.^[70] 생성된 액체도 바로 증발하여 순식간에 사라지는 경우가 많다.^[70]

"증기"는 과학 시대에 생겨난 개념이기 때문에 대부분의 국가에서 탕기에서 파생된 단어를 사용한다.^[71] 태국어에서는 "아이넘"이라고 하며, 증기와 수증기, 탕기의 구별이 없다.^[71] 반면 영어에는 steam(탕기)과 vapor(증기)가 있으며, 후자는 의미적으로 휘발에 가깝고 물과는 거리가 멀다고 여겨진다.^[71]

6. 물과 수증기 (물의 상변화)

물은 온도와 압력에 따라 고체(얼음), 액체(물), 기체(수증기)의 세 가지 상태로 존재한다.^[72]^[73] 일정 압력에서 상온의 물을 천천히 가열하면 특정 온도(대기압 760 mmHg에서는 100 ℃)에서 수증기로 변한다. 가열에 따라 물이 증발하여 전체 부피가 증가하지만, 온도는 일정하게 유지된다. 모든 물이 증발하여 기체가 된 후, 더 가열하면 수증기의 온도가 다시 증가한다. 반대로 수증기를 냉각하면 같은 경로를 거슬러 응축하여 액체인 물이 된다.

물이 증발하기 시작하는 온도를 그 압력에서의 '''포화 온도''',^[74] 그 압력을 그 온도에서의 '''포화 압력(포화 증기압)'''이라고 한다. 표준 대기압에서 물의 포화 온도는 100 ℃이며, 100 ℃에서 물의 포화 압력은 760 mmHg = 1013.25 hPa이다. 포화 온도는 압력이 상승함에 따라 함께 상승한다. 포화 온도의 물(액체)을 '''포화수''', 증기를 '''포화 증기'''라고 하며, 포화 온도 이하의 물을 '''과냉각수''', 포화 온도 이상의 증기를 '''과열 증기'''라고 한다.

증기 거품이 포함된 물이나 물방울이 포함된 증기는 '''습증기'''라고 불린다. 습증기는 포화수와 포화 증기의 혼합물이며, 압력은 포화 압력, 온도는 포화 온도이다.

압력이 높아지면 기체의 포화 증기의 비체적(단위 질량당 부피)은 작아지고, 포화수의 비체적은 포화 온도가 높아짐에 따라 조금씩 커져, 어떤 압력에서 포화수와 포화 증기의 상태는 한 점으로 합쳐진다. 이 상태를 임계점이라고 하며, 임계점 이상의 압력에서는 액체와 기체를 구별할 수 없다. 물의 임계점은 압력 22.064 MPa, 온도 373.95 ℃, 비체적 0.0031700 m³/kg이다.

습증기를 밀폐 용기에서 천천히 냉각하면, 증기의 일부가 응축됨과 동시에 온도와 압력이 낮아진다. 습증기를 유지한 채 특정 온도에 도달하면, 습증기의 일부에 얼음이 생기고, 온도와 압력 모두 변하지 않는다. 이 상태를 삼중점이라고 하며, 물의 경우 온도 0.01 ℃, 압력 0.006112 bar이다. 물의 삼중점은 국제단위계의 온도 정의의 기준점으로 사용되고 있다. 삼중점의 물을 더 냉각하면 물이 얼음으로 응고하고, 물이 없어지면 온도와 압력이 다시 낮아지기 시작하고, 증기가 얼음으로 변화한다(승화). 액체인 물은 삼중점과 임계점 사이의 제한된 압력 범위에서만 존재한다.

7. 수증기의 활용

식품 분야에서는 예부터 찜 요리, 전분질 식품의 가공이나 제빵에 사용되어 왔다.^[75]^[76] 업무용 주방 기기나 식품 가공 장치(스팀 컨벡션 오븐 등) 및 조리 가전(밥솥 등)에도 이용되고 있다.^[75] 압력솥이나 오토클레이브도 거의 이것을 이용하고 있다.

또한, 수증기를 이용한 증기 기관은 주로 산업혁명 이후 열에너지를 운동에너지로 변환하는 동력원으로서 중요한 역할을 담당했다.^[75] 증기 발전(화력 발전이나 원자력 발전)에서 증기 터빈의 구동에 이용되고 있다.

이 밖에, 수증기를 열매체로 한 증기 난방, 찜질방, 고온을 이용한 청소용구(스팀 청소기)가 있다.

7. 1. 식품 분야

식품 분야에서는 예부터 찜 요리, 전분질 식품의 가공이나 제빵에 사용되어 왔다.^[75]^[76] 스팀 컨벡션 오븐 등 업무용 주방 기기나 식품 가공 장치 및 밥솥 등 조리 가전에도 이용되고 있다.^[75] 압력솥이나 오토클레이브도 거의 수증기를 이용하고 있다.

7. 2. 산업 분야

수증기를 이용한 증기 기관은 주로 산업혁명 이후 열에너지를 운동에너지로 변환하는 동력원으로서 중요한 역할을 담당했다.^[75] 증기 발전(화력 발전이나 원자력 발전)에서 증기 터빈의 구동에 이용되고 있다.

7. 3. 기타 활용

수증기는 열매체로 한 증기 난방이나 찜질방에 이용된다.^[75] 고온을 이용한 청소용구(스팀 청소기)도 있다.

8. 한국의 관점에서의 수증기 연구 및 활용

참조

_[1] 웹사이트 What is Water Vapor? http://www.weatherqu[...] 2012-08-28
_[2] 웹사이트 What is the greenhouse effect? https://science.nasa[...] 2024-06-20
_[3] 논문
_[4] 웹사이트 Geotechnical, Rock and Water Resources Library - Grow Resource - Evaporation https://web.archive.[...] 2008-04-07
_[5] 웹사이트 swimming, pool, calculation, evaporation, water, thermal, temperature, humidity, vapor, excel http://www.thermexce[...] 2016-02-26
_[6] 웹사이트 Summary of Results of all Pool Evaporation Rate Studies https://web.archive.[...] R. L. Martin & Associates 2008-03-24
_[7] 웹사이트 climate - meteorology http://www.britannic[...] 2016-02-26
_[8] 웹사이트 The USAP Portal: Science and Support in Antarctica - About the Continent https://www.usap.gov[...] 2024-06-20
_[9] 학술지 Water vapor feedback and global warming 2000-11
_[10] 논문
_[11] 뉴스 Why dry air is heavier than humid air https://www.washingt[...] 2013-08-05
_[12] 웹사이트 Humidity 101 https://archive.toda[...] World Water rescue Foundation 2014-12-28
_[13] 웹사이트 Steam Balloons and Steam Airships https://web.archive.[...] 2010-08-26
_[14] 웹사이트 Water Vapor Pressure Formulations http://cires.colorad[...] 2016-02-26
_[15] 논문
_[16] 논문
_[17] 웹사이트 Atmospheric Water Vapor https://remss.com/me[...] 2021-08-22
_[18] 웹사이트 The Atmosphere as a Heat Engine https://web.stanford[...] 2022-02 #Dead link date
_[19] 웹사이트 Chapter 5:Atmospheric emission sources http://brucegary.net[...] 2016-02-26
_[20] 웹사이트 The Carbon Dioxide Greenhouse Effect https://web.archive.[...] 2016-11-11
_[21] 논문
_[22] 학술지 Icy Surprise 2013-12-02
_[23] 웹사이트 Climate scientists confirm elusive tropospheric hot spot https://web.archive.[...] 2015-05-17
_[24] 학술지 Atmospheric changes through 2012 as shown by iteratively homogenized radiosonde temperature and wind data (IUKv2) 2015-05-11
_[25] 학술지 Observational determination of surface radiative forcing by CO2 from 2000 to 2010 https://zenodo.org/r[...] 2015-02-25
_[26] 웹사이트 Jet contrails alter average daily temperature range http://news.psu.edu/[...] 2015-05-17
_[27] 웹사이트 Jets' contrails contribute to heat-trapping high-level clouds https://web.archive.[...] 2015-05-17
_[28] 학술지 World War II contrails: a case study of aviation-induced cloudiness 2012-09
_[29] 학술지 Water Vapour and Methane Coupling in the Stratosphere observed with SCIAMACHY Solar Occultation Measurements https://acp.copernic[...] 2018
_[30] 학술지 Radiative forcing due to stratospheric water vapour from CH4 oxidation 2007-01-09
_[31] 논문
_[32] 웹사이트 What is the maximum and minimum distance for the Earth that is compatible with life? https://web.archive.[...]
_[33] 웹사이트 Surface Temperature http://www.astronomy[...]
_[34] 서적 Planetary Sciences Cambridge University Press
_[35] 웹사이트 Properties http://www.acs.org/c[...] 2016-02-26
_[36] 논문 The role of long-lived greenhouse gases as principal LW control knob that governs the global surface temperature for past and future climate change 2013-01-01
_[37] 서적 Atmospheric Science: An Introductory Survey http://cup.aos.wisc.[...] Elsevier
_[38] 논문 Comparison of precipitable water vapor derived from radiosonde, GPS, and Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer measurements 2003-10-29
_[39] 서적 Encyclopedia of Climate and Weather Oxford University Press 1996-01-01
_[40] 웹사이트 Observed Global and Regional Variation in Earth's Water Vapor: Focus on the Weather-Climate Interface https://gml.noaa.gov[...] 2014-05-21
_[41] 웹사이트 21-Year Deviations and Anomalies of Region Monthly Mean From Total Period Mean Over Global Total Column Water Vapor (cm) https://isccp.giss.n[...] 2010-01-01
_[42] 논문 Water vapor in the climate system http://www.eso.org/g[...] 1995-12-01
_[43] 웹사이트 The Study of Earth as an Integrated System https://climate.nasa[...] NASA 2016-01-01
_[44] 보고서 Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Cambridge University Press 2021-01-01
_[45] 논문 The Mass of the Atmosphere: A Constraint on Global Analyses 2005-03-15
_[46] 보고서 Changing State of the Climate System https://www.ipcc.ch/[...] Cambridge University Press 2021-01-01
_[47] harvp
_[48] harvp
_[49] harvp
_[50] 웹사이트 Water Vapor http://earthobservat[...] Global Maps 2018-07-31
_[51] 웹사이트 GOME-2/MetOp-A at DLR http://atmos.eoc.dlr[...]
_[52] 논문 Vibration–rotation transition dipoles from first principles 2014-01-01
_[53] 논문 IUPAC critical evaluation of the rotational-vibrational spectra of 1440 water vapor. Part III
_[54] 논문 Temperature dependent absorption cross-sections of O2-O2 collision pairs between 340 and 630 nm and at atmospherically relevant pressure 2013-01-01
_[55] harvp
_[56] harvp
_[57] harvp
_[58] harvp
_[59] 뉴스 Hubble traces faint signatures of water in exoplanet atmospheres (artist's illustration) http://www.spacetele[...]
_[60] 웹사이트 Hubble Sees Evidence of Water Vapor at Jupiter Moon http://www.jpl.nasa.[...] 2013-12-12
_[61] harvp
_[62] harvp
_[63] 웹사이트 Herschel Telescope Detects Water on Dwarf Planet – Release 14-021 http://www.nasa.gov/[...] 2014-01-22
_[64] 간행물 Water on Mars 2004-04-01
_[65] 웹사이트 Anatomy of a Comet http://rosetta.jpl.n[...]
_[66] 웹사이트 Water Vapor, Possible Comets, Found Orbiting Star https://web.archive.[...] 2001-07-11
_[67] 웹사이트 NASA Telescopes Find Clear Skies and Water Vapor on Exoplanet http://www.jpl.nasa.[...] 2014-09-24
_[68] 논문 Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight-Earth-mass planet K2-18 b 2019-09-11
_[69] 논문 1P1-C2 面白科学実験を数量的に議論する(インタラクティブ(1),インタラクティブセッション,次世代の科学力を育てる-社会とのグラウンディングを求めて-) https://doi.org/10.1[...] 日本科学教育学会
_[70] 논문 手作り実験あれこれ――教育の現場からPart 3 (1) https://doi.org/10.3[...] 可視化情報学会
_[71] 논문 C-08 ブラジルとアジア諸国の科学用語比較(日本理科教育学会第53回東海支部大会) https://dl.ndl.go.jp[...] 日本理科教育学会東海支部大会事務局 2006-11
_[72] 텍스트
_[73] 텍스트
_[74] 텍스트
_[75] 논문 食品加工における過熱水蒸気利用に関する研究 https://doi.org/10.1[...] 日本食品工学会 2024-03
_[76] 논문 過熱水蒸気 https://doi.org/10.3[...] 日本食品科学工学会 2008-03

수증기