물의 증발·응축과 상평형

핵심 정리

물이 액체에서 기체로 바뀌는 현상을 증발이라 하고, 기체가 액체로 바뀌는 현상을 응축이라 한다. 두 과정은 방향만 반대일 뿐 같은 상변화의 양쪽이다. 그래서 액체와 기체 사이의 상변화는 가역 반응이다.액체와 기체 사이의 상변화는 가역 반응이다.

증발이 일어날 때는 주위에서 열을 흡수한다. 액체 분자가 기체로 빠져나가려면 에너지가 필요하기 때문이다. 이 열 흡수를 기억하면 증발을 발열 과정으로 잘못 보는 실수를 막을 수 있다.액체가 증발할 때는 주위로부터 열을 흡수한다.

밀폐된 용기에서 증발과 응축이 계속 진행되면 어느 순간 두 속도가 같아진다. 이 상태를 동적 평형이라 한다. 동적 평형에 도달하면 증발 속도와 응축 속도가 같다. 평형에 도달하기 전에는 증발 속도가 응축 속도보다 크다.

동적 평형은 변화가 멈춘 상태가 아니다. 증발과 응축은 평형에서도 계속 일어나며, 그 결과 액체와 기체의 양이 일정하게 유지된다. 고체와 기체 사이에서도 평형 상태에서 승화와 그 역과정인 증착이 계속 일어난다.

평형 상태에서 기체의 양은 용기 부피와 온도로 정해지며 액체의 양과는 무관하다. 상평형 그림은 온도와 압력에 따라 어떤 상이 안정한지를 한눈에 보여 준다. 이 그림을 읽을 수 있어야 평형 문제를 풀 수 있다.

자세히

증발은 액체 표면의 분자 가운데 운동 에너지가 큰 분자가 기체로 빠져나가는 현상이다. 증발은 끓음과 달리 액체 표면에서만 일어나며, 끓는점에 도달하기 전에도 일어난다. 응축은 기체 분자가 액체 표면에 붙잡혀 액체가 되는 현상이다. 응축 과정에서는 열이 방출된다. 증발과 응축은 서로 반대 방향이지만 같은 계에서 동시에 일어난다.

아래 표는 두 과정을 비교한 것이다.

밀폐된 용기에서 액체를 넣은 직후에는 아직 기체가 거의 없다. 이때는 증발 속도가 응축 속도보다 크다. 기체 분자가 늘어날수록 응축 속도가 커지고, 두 속도가 같아지는 순간 동적 평형에 도달한다. 증발 속도가 응축 속도보다 큰 동안에는 기체 상태 물의 양이 증가한다. 따라서 평형 전에는 기체의 양이 시간에 따라 늘어나고, 평형 이후에는 기체의 양이 일정하게 유지된다.

동적 평형에 도달한 후에는 액체의 양이 시간에 따라 일정하게 유지된다. 이때 액체가 몇 개 남았는지는 평형 기체량에 영향을 주지 않는다. 평형 기체량은 용기의 부피와 온도로 정해진다. 액체의 양이 많든 적든 액체가 남아 있기만 하면 같은 온도와 부피에서 기체의 양은 같다.

상평형 그림은 세로축에 압력, 가로축에 온도를 두고 물의 상태 경계를 나타낸다. 그림에는 세 곡선이 있다. 승화 곡선은 고체와 기체가 평형을 이루는 경계이고, 기화 곡선 또는 증기 압력 곡선은 액체와 기체가 평형을 이루는 경계이며, 융해 곡선은 고체와 액체가 평형을 이루는 경계이다. 곡선 위의 점에서는 두 상이 함께 존재하고, 곡선이 만나는 점에서는 세 상이 동시에 평형을 이룬다. 곡선이 없는 영역의 점에서는 한 상만 안정하다.