지구과학 ① 4-1. 물의 상태 변화, 포화수증기압, 과냉각액체

▎지구과학 ① 4-1. 물의 상태 변화, 포화수증기압, 과냉각액체

 

◈ 대기 중의 수증기

1. 물의 상태 변화

① 물의 상태 변화
물은 상온에서 고체(얼음), 액체(물), 기체(수증기)로 상태가 쉽게 변하면서 대기와 지표면 및 지하를 순환하고 있다. 이와 같이 상태가 변화할 때에는 반드시 숨은열이 방출되거나 흡수된다.

 

② 숨은열(잠열)
숨은열은 물의 상태가 변화할 때 온도 변화 없이 상태 변화에만 관계하는 열이다. 물이 증발할 때는 주변으로부터 열을 흡수하므로(흡열반응) 수증기는 숨은열의 형태로 열을 가지고 있다가 물방울로 응결할 때 다시 열을 방출하여(발열반응) 주위 공기를 가열시킨다.

* 숨은열 (latent heat) : 잠열(潛熱)이라고도 하며 물질이 온도나 압력의 변화를 보이지 않고 상태가 변화할  때 흡수 또는 발생하는 열이다. 그 종류에는 융해열, 증발열(기화열), 승화열 등이 있다. 숨은열을 이용하여 실생활에 적용한 기계로는 냉동기가 있다.

 

 

2. 대기 중의 수증기량
① 수증기압(hPa)
공기는 수증기와 건조 공기의 혼합 기체이다. 이 때 공기 중에 포함된 수증기만의 압력을 수증기압이라 하며 *헥토파스칼(hpa)로 나타낸다. 그리고 공기 중에 수증기량이 많을수록 수증기압이 높아진다. 즉, 수증기량과 수증기압은 비례한다.
* 헥토파스칼(hPa) : 1 hPa은 1mb(밀리바)와 같으며, 1Pa의 100배이다. 국제단위계(SI)에서는 면적 1m²에 1N의 힘을 받을 때 압력의 단위로 Pa이 사용되지만, Pa은 크기가 너무 작아 일상에서 이용하기에는 매우 불편하므로 기상학에서는 그 100배인 hPa을 쓰고 있다. 이전에는 기압의 단위로 mb를 사용하였는데, 1979년 세계기상기구는 기압의 단위로 hPa을 쓰기로 결정하였다.

 

▖ 공기(혼합기체)= 수증기 + 건조공기
▖ 수증기압 = 공기 중의 수증기 압력
▖ 수증기량과 수증기압 비례

 

 

② 포화 수증기압(hPa)
밀폐된 용기에 물을 조금 담고 공기를 완전히 빼 진공상태로 만들면, 물 분자가 증발하여 진공을 채우면서 용기 내부의 공간은 수증기로만 가득 차게 된다. 이때 나타나는 압력이 수증기압이다. 시간이 지나면서 수증기는 진공을 계속 메우게 되지만 일부는 다시 응결하여 물속으로 돌아가면서 수증기압이 일정하게 유지된다. 이와 같은 평형 상태의 수증기압을 포화 수증기압이라 하며, 온도가 높을수록 높다. 즉, 공기가 어떤 온도에서 수증기를 최대로 포함하고 있는 상태를 포화 상태(평형상태)라고 하며, 이때의 수증기압을 포화 수증기압이라고 한다. 포화상태일 때 물에서 나오는 수증기량과 수증기가 응결되어 물로 되돌아가는 양이 같다. 이때를 평형상태라 한다.

 

 

▖ 포화 상태 : 어떤 온도에서 가질 수 있는 최대 수증기량
▖ 포화 수증기압 : 포화상태의 수증기압
▖ 평형상태 : 포화상태일 때 물에서 나오는 수증기량과 응결되는 양이 같다.

 

 

 

ⓐ 포화 수증기압은 기온만의 함수이며, 기온이 높을수록 증가한다. 즉, 기온과 포화수증기압은 비례한다.

ⓑ 물은 이하에서 액체와 고체로 동시에 존재할 수 있다.
온도가 높아지면 물 분자의 운동 에너지가 증가하여 많은 양의 수증기가 수면으로부터 탈출하고, 포화수증기압은 높아진다. 0℃ 이하의 차가운 상공의 구름 속에서는 물과 얼음이 함께 존재할 수 있다. 이때 물에 대한 포화 수증기압이 얼음에 대한 포화수증기압보다 큰 이유는 고체 상태인 얼음이 수증기로 변할 때보다 액체 상태인 물이 수증기로 변할 때 에너지가 적게 소모되기 때문이다.

 

 

과냉각액체 (과냉각물방울)

과냉각액체는 0℃ 이하의 온도에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 물방울을 말한다. 고체·액체·기체 등으로 외형이 변하는 현상을 일으키는 전이온도(轉移溫度, 물의 경우 고체 0℃, 기체 100℃)보다 낮은 온도에서도 물질의 외형이 변하지 않고 본래의 모양을 유지하고 있는 상태를 과냉각이라 하는데, 이것은 과열(過熱)의 반대 현상이다. 응고점(얼음이 되는 온도 : 0℃) 이하 온도의 과냉각액체가 그 예이다. 이것은 액체를 천천히 냉각시킬 때 만들어진다. 과냉각은 과열의 경우와 마찬가지로 전이온도 이하에서도 준안정 상태로 존재하는 것이기 때문에, 외부로 부터의 자극에 의하여 쉽게 깨진다. 예를 들어 물은 0℃ 이하에서는 고체, 즉 얼음으로 존재하는 것이 열역학적으로 안정하지만 약 -12℃까지 액체로 있을 수가 있다. 0℃ 이하의 이러한 과냉각수에 외부로부터 약간의 충격을 가하면 준안정 상태가 깨지면서 갑자기 고체(얼음)로 되기 시작한다. 구름이나 안개 같은 대기 중의 작은 물방울이 0℃ 이하에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 것은 위와 같은 현상 때문이다. 구름 알갱이는 -10℃~0℃에서는 주로 과냉각물방울로, -20℃~-10℃에서는 과냉각물방울과 얼음결정(빙정)이 섞인 상태로, -20℃ 이하에서는 거의 빙정으로 있다. 때로는 심할 경우 -40℃의 낮은 온도에서도 과냉각물방울이 관측되기도 한다.

 

 

 

 

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