수증기

개요

물이 기화되어 생성된 무색·무취의 투명한 기체. 수증기가 찬 공기와 접촉하면서 응결된 작은 물방울이 산재되어 흰색 구름처럼 보일 때에는 '김'이라고 부르기도 한다. 천연에서 수증기는 지하수가 화산작용에 의해 가열되어 생성되거나 온천, 간헐온천, 화산의 분기공과 몇 가지 유형의 화산에서 분출된다. 또한 화석연료를 사용하는 보일러나 원자로와 같은 기술과정을 통해 대량의 수증기를 만들 수 있다.

수증기의 발생

열을 가하면 물은 약간 팽창하고 끓는점까지 온도가 상승한다. 계속해서 열을 가하면 끓기 시작하여 액체가 기화된다. 이 영역에서 혼합물의 온도는 끓는점에 머물러 있고 열을 가하면 더 많은 액체가 기화되며, 가열을 중단하면 증기의 일부가 응축된다. 온도는 일정하게 유지되어도 부피는 증기와 액체의 혼합율에 따라 변한다.

포화수증기

마지막 한 방울의 물까지도 모두 기화시킬 정도의 충분한 열이 가해지면 전체부피는 수증기로 가득 차게 된다. 이 단계의 수증기를 포화수증기라고 한다. 더이상 끓을 물이 없기 때문에 계속해서 가열하면 증기온도가 상승하고 부피가 증가한다. 과열된 증기의 부피는 동일한 압력 하에서 포화증기가 차지하는 부피보다 크다.

온도와 압력과의 관계

물이 끓는 온도는 압력에 의존한다. 예를 들면 표준대기압 10만 1,325Pa(파스칼)에서 끓는 온도는 100℃이다. 압력이 감소하면 끓는점도 따라서 감소하며, 압력이 증가하면 액체상태의 물분자가 기체상태로 되기 위해 분자운동이 더 활발해져야 하므로 보다 높은 온도가 필요하다. 포화된 액체를 기화시키는 데 필요한 열량을 증기의 숨은열이라고 한다. 숨은열은 압력에 따라 변하며, 낮은 압력에서 가장 크고 임계점에서는 0으로 감소한다(기화열).

임계점이란 일정한 온도와 압력이 조합된 것으로 이 기체를 압축하면 특정 압력에서는 액체상도 기체상도 아닌 중간상태가 되는 것을 말하는데, 이 이상의 온도에서는 액체와 기체를 구별할 수 없다. 임계온도(374.15℃)와 임계압력(2.212×10⁷Pa, 218.2기압)에서 1g의 물이 차지하는 부피는 0.001805ℓ(밀도는 554.1g/ℓ)이다.

기상학에서의 수증기

포화수증기압은 특히 기상학에서 중요한 의미를 가지는데, 기온이 하강하여 포화수증기압이 낮아지거나, 습도가 높아져서 포화수증기압 이상의 수증기가 모이면 더이상 수증기 형태로 대기중에 존재하지 못하고 응결하여 액체상태인 물방울로 변하게 된다. 이때 공기 중에 있는 먼지 같은 작은 입자가 응결핵으로 작용해 수증기를 모아 응결시켜 안개나 비가 된다. 공기 중의 수증기의 양은 보통 습도로 나타낸다.

수증기의 분해

수증기는 물의 단분자(單分子) 상태로 존재하지만 고온·저압 하에서는 일부가 해리되어 수소와 산소로 된다. 따라서 보통의 물에서는 일어나지 않는 반응이 일어나기도 하는데, 500℃ 이상의 높은 온도와 촉매 존재 하에서 다음과 같은 반응도 일어난다.

CO＋H2O → CO2＋H2

또 고온으로 가열한 수증기로 수소와 일산화탄소의 혼합 가스를 얻을 수 있는데 이를 수성(水性) 가스라고 하며, 기체 연료와 수소 가스의 원료로 쓰인다.→ 물, 습도

산업에서의 활용

수증기를 이용한 힘은 현대 산업사회에서 중요한 동력원이 된다(증기력). 발전소에서는 물을 가열하여 수증기를 만들고 압축된 수증기로 터빈을 돌려서 전류를 만든다. 이때 수증기의 열 에너지는 역학적 에너지로 전환되고, 이 에너지는 다시 전기로 전환된다. 터보 발전기를 돌리는 데 사용되는 수증기는 세계에서 사용되는 전력의 대부분을 공급한다. 수증기는 강철·알루미늄·구리·니켈 등의 금속을 생산하고, 화학약품의 제조와 석유정제 등의 산업공정에서도 널리 사용된다. 가정에서는 음식을 조리하거나 가열하는 데 오래전부터 사용해왔다.