물의 압력-온도 상태도·비등과 공동현상·잠열

문제

물음 2) 물의 압력-온도 상태도와 관련하여 다음에 대하여 답하시오. (12점)

(1) 물의 압력-온도 상태도(Pressure-Temperature Diagram)를 작도하고, 상태도에 임계점과 삼중점을 표시하시고 각각을 설명하시오. (4점)

(2) 상태도에 비등(Ebullition)현상과 공동(Cavitation)현상을 작도하고 설명하시오. (4점)

(3) 물의 응축잠열과 증발잠열을 설명하고, 증발잠열이 소화효과에 미치는 영향을 설명하시오. (4점)

답안

(1) 상태도와 임계점·삼중점

• 삼중점: 고체·액체·기체 세 상이 평형으로 공존하는 유일한 점. 물은 약 0.01 ℃, 611.657 Pa(약 0.006 atm).
• 임계점: 증발곡선의 끝점으로, 이보다 높은 온도·압력에서는 액체와 기체의 구별이 없어지는(초임계) 점. 물은 약 374 ℃, 22.06 MPa. 임계온도 이상에서는 압력을 높여도 액화되지 않는다.

(2) 비등과 공동

• 비등(Ebullition): 압력이 일정할 때 온도가 올라 증발곡선(포화온도)을 넘어 액체 내부에서 증기가 발생하는 현상(상태도의 수평 화살표). 1기압에서 100 ℃.
• 공동(Cavitation): 온도가 일정할 때 펌프 흡입측 등에서 압력이 포화증기압 이하로 낮아져 액체가 기화해 기포가 생기는 현상(상태도의 수직 화살표). 기포가 고압부에서 붕괴하며 소음·진동·임펠러 침식(괴식)·양정 저하를 일으킨다.

(3) 잠열과 소화효과

• 증발잠열: 액체가 같은 온도에서 기체로 변할 때 흡수하는 열. 물은 100 ℃, 1기압에서 약 2,257 kJ/kg(539 kcal/kg).
• 응축잠열: 기체가 같은 온도에서 액체로 변할 때 방출하는 열로, 크기는 증발잠열과 같다.
• 소화효과: 물은 증발잠열이 매우 커서 화재열을 대량으로 흡수해 냉각소화 효과가 크다. 증발한 수증기는 부피가 약 1,700배로 늘어나 산소를 희석하는 질식소화 효과도 낸다. 물방울이 작을수록(분무) 표면적이 커져 증발이 빨라지므로 냉각 효과가 커진다.

근거

• 물의 삼중점 273.16 K(0.01 ℃), 611.657 Pa. 임계점 647.096 K(373.946 ℃), 22.064 MPa.
• 물의 증발잠열(100 ℃) 약 2,257 kJ/kg, 융해잠열 약 334 kJ/kg.