증발

3. 열역학

액체의 분자가 증발하려면 표면 근처에 위치해야 하고, 적절한 방향으로 움직여야 하며, 액체 상태의 분자간 인력을 극복할 수 있는 충분한 운동 에너지를 가져야 한다.^[5] 분자의 운동 에너지는 온도에 비례하므로 온도가 높을수록 증발이 더 빠르게 진행된다. 더 빠르게 움직이는 분자가 탈출함에 따라 남아있는 분자는 평균 운동 에너지가 낮아지고 액체의 온도가 떨어진다. 이 현상은 증발 냉각이라고도 한다.

증발은 기체와 액체 상 사이의 유속이 높고 증기압이 높은 액체에서 더 빠르게 진행되는 경향이 있다. 증발의 세 가지 핵심 요소는 열, 대기압(습도 백분율을 결정) 및 공기 이동이다.

분자 수준에서 액체 상태와 증기 상태 사이에는 엄격한 경계가 없다. 대신, 상이 불확정적인 Knudsen 층이 있다. 이 층은 몇 개의 분자 두께에 불과하기 때문에 거시적인 규모에서 명확한 상전이 인터페이스를 볼 수 없다.^[6]

주어진 온도에서 주어진 기체에서 눈에 띄게 증발하지 않는 액체는 분자가 증기로 변하는 데 필요한 열 에너지를 분자에게 자주 제공할 수 있을 정도로 서로에게 에너지를 전달하는 경향이 없는 분자를 가지고 있다. 그러나 이러한 액체는 ''증발''하고 있다. 단지 그 과정이 훨씬 느리고 따라서 눈에 띄게 덜 보일 뿐이다.

증발은 증발 과정에서 열이 흡수되므로 흡열 과정이다. 액체 상태의 원자 또는 분자가 충분한 에너지를 얻어 기체 상태가 되는 과정이다. 액체로부터의 증발은 끓는점 이하의 온도에서 일어나며, 증기압이 포화 증기압이 될 때까지 계속되어 거기서 액상 평형에 도달한다. 온도가 끓는점에 도달하면 액체 내부에서도 기화(비등)가 일어난다. 증발할 때 물질은 주변으로부터 잠열(증발열 또는 기화열이라고도 함)을 흡수한다. 액체의 표면 장력을 이길 수 있는 열 운동 에너지를 가진 분자는 증발할 수 있다. 따라서 증발은 액체의 온도가 높거나 표면 장력이 낮을수록 빠르게 진행된다. 증발에 관여하여 그 계의 엔트로피는 증가하며, 상변화에 따라 에너지 유입이 필요하다. 이로 인해 증발에 의한 엔트로피 변화($\backslash Delta\; S\_\backslash text\{evaporation\}$)는 항상 양의 값을 갖는다.

4. 응용

증발은 다음과 같은 다양한 분야에서 응용된다.

• 산업: 인쇄 및 코팅 공정, 용액에서 염 회수, 목재, 종이, 천, 화학 물질 등 다양한 재료 건조에 활용된다.
• 실험실: 분광법 및 크로마토그래피와 같은 실험 분석을 위해 샘플을 건조하거나 농축하는 데 사용된다. 회전 증발기 및 원심 증발기가 이러한 목적으로 사용되는 대표적인 장비이다.
• 일상생활: 빨랫줄에 옷을 널어 말리는 것은 주변 온도가 물의 끓는점보다 낮더라도 물이 증발하는 현상을 이용한 것이다. 낮은 습도, 열(태양), 바람과 같은 요인은 증발을 가속화한다. 건조기는 뜨거운 공기를 옷에 통과시켜 물을 빠르게 증발시킨다.
• 물 냉각: 마트키/마트카는 물과 기타 액체를 저장하고 냉각하는 데 사용되는 전통적인 인도의 다공성 점토 용기이다. 보티호는 증발을 통해 담긴 물을 식히도록 설계된 전통적인 스페인 다공성 점토 용기이다. 증발 냉각기는 물로 포화된 필터 위로 건조한 공기를 불어넣어 건물을 냉각시킨다.
• 연소: 연료 방울은 연소실의 뜨거운 가스와 혼합되어 열을 받으면서 증발한다. 열은 연소실의 뜨거운 내화 벽으로부터의 복사에 의해서도 전달될 수 있다. 내연 기관은 원활한 연소를 위해 실린더 내 연료의 기화에 의존하여 연료/공기 혼합물을 형성한다. 휘발유의 완전 연소를 위한 화학적으로 올바른 공기/연료 혼합비는 무게 기준으로 공기 15 : 휘발유 1, 즉 15/1이다. 이를 부피 비율로 변경하면 공기 8,000 : 휘발유 1, 즉 8,000/1이 된다.

4. 1. 박막 증착

5. 증발 잔류물

수질 검사에서 시료수를 105°C ~ 110°C에서 증발 건고했을 때 남는 물질을 증발 잔류물이라고 한다.^[10]

이 증발 잔류물을 다시 600°C에서 회화했을 때 휘산하는 물질을 강열 감량(IL)이라고 하며, 수중 유기물량의 지표가 된다.^[10] 부유물(SS)의 강열 감량을 VSS라고 하며, 수중 유기성 부유물량의 지표가 된다.^[10]

6. 그 외의 용법

액체가 기체로 변하면서 눈에 보이지 않게 된다는 점에서, 사람이 갑자기 실종되는 것을 '증발'이라고 표현한다.

6. 1. 사회 현상

6. 2. 교통

6. 3. 블랙홀

참조

_[1] 웹사이트 the definition of evaporate http://www.dictionar[...] 2018-01-23
_[2] 웹사이트 Why Does Humidity & Wind Speed Affect Evaporation? https://sciencing.co[...] 2022-08-20
_[3] 서적 The New Student's Reference Work (1914) https://en.wikisourc[...]
_[4] 뉴스 Chilling Science: Evaporative Cooling with Liquids https://www.scientif[...] 2018-01-23
_[5] 서적 Chemistry https://archive.org/[...] McGraw-Hill
_[6] 간행물 Gas-dynamic boundary conditions of evaporation and condensation: Numerical analysis of the Knudsen layer
_[7] 뉴스 How light can vaporize water without the need for heat https://news.mit.edu[...]
_[8] 웹사이트 Five Things We Still Don't Know About Water https://nautil.us/is[...] 2015-06-11
_[9] 간행물 Evaporation coefficient and condensation coefficient of vapor under high gas pressure conditions Nature 2020-05-18
_[10] 웹사이트 強熱減量（IL） https://www.ktr.mlit[...] 国土交通省 関東地方整備局 江戸川河川事務所 2022-08-24
_[11] 뉴스 【編集局から】大ヒット歌手のあまりにも寂しい“孤独死”矢吹健さん https://www.zakzak.c[...] 産業経済新聞社 2015-06-18
_[12] 웹사이트 昭和49年 警察白書 https://www.npa.go.j[...] 警察庁 2014-02-01
_[13] 서적 수문학 구미서관 2018