수증기

수증기(水蒸氣, Water vapor)는 물의 기체 상태이다. 지구에서 수증기는 수권 내부의 물의 순환의 한 가지 상태이다. 수증기는 액체 상태의 물이 증발하거나, 고체 상태인 얼음이 승화하는 것을 통해 만들어진다. 일반적인 대기 상태에서, 수증기는 끊임없이 기화와 액화를 반복한다. 일반적으로 수증기는 맨 눈으로는 관찰할 수 없다. 수증기는 또한 지구 온실효과의 36~70%를 담당하는 온실 기체이다.

수증기는 온도나 압력에 의한 물의 상태변화로 생성된 무색, 무취의 투명 기체이다. 수증기는 물의 임계온도인 374℃ 이상에서 유일하게 존재할 수 있는 상태인데, 공기 중에는 0.001%가 포함되어 있다. 물에 열을 가하여 일정 온도 이상이 되면 기화하여 수증기가 된다. 이때의 온도를 끓는점이라 한다. 물의 끓는점은 대기압 1기압에서 100℃이다. 물이 상대적으로 질량이나 구조가 비슷한 다른 물질보다 높은 끓는점을 나타내는 것은 물 분자간의 수소결합 때문이며 이 수소결합으로 인해 분자 사이의 인력이 다른 물질에 비해 매우 강하여 이 분자간의 인력을 끊고 기체가 되기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 끓는점이 높아지는 것이다. 물의 임계온도는 374℃로 이 온도 이상에서는 압력을 아무리 높여도 얼음(고체), 물(액체)의 상태를 발견할 수 없다. 즉, 임계온도 이상에서는 유일하게 존재할 수 있는 상태가 수증기이며 그 이하의 온도에서 온도, 압력에 따라 수증기, 물, 얼음이 공존할 수 있다.

개요

액체 및 고체 상태의 물 표면에서는 그 온도에 거의 관계없이 끊임없이 물 분자가 떨어져 나가고, 또한 반대로 물 표면으로 들어온다. 이 떨어져 나간 것들이 수증기다. 이런 이유로 물이 풍부한 지구 표면의 거의 모든 대기는 수증기-물 분자를 포함하고 있다.

한편 1기압, 섭씨 100도가 되면 모든 물 분자가 기체 상태가 될 수 있는 에너지를 가지며 물의 전체가 수증기로 변한다. 그러나 현실적으로 물을 끓일 때는 전체가 동시에 100도에 도달하기 힘들고 따라서 열원에 가까운 곳인 아래쪽에서 주로 기체로 전환되어 수증기가 만들어진다.

수증기가 되면서 부피가 대략 1680배 늘어나므로 닫힌 용기 속이라면 주위 벽에 엄청난 압력을 가하게 된다. 이것이 없었다면 증기기관은 발명되지 못했을 것이다. 당장 이거 없으면 아예 안 돌아가는 발전소도 수두룩하다. 또한 많은 터빈을 사용하는 엔진이 물을 가열하여 나오는 수증기의 압력으로 터빈을 돌린다.

이산화탄소나 메테인만큼 크진 않지만, 수증기도 온실효과를 일으킨다. 먼 훗날 지구가 금성처럼 되게 하는 유력한 원인 중 하나다. 이산화탄소는 그 후의 문제이다.

보통 주전자 같은 데서 하얗게 올라오는 김을 수증기로 오해하는 경우가 있는데 김은 수증기가 찬 공기와 만나 응결되어 생긴 물방울이다(액체). 수증기일 때는 가시광선과는 상호작용을 거의 하지 않으므로 투명하다.

착각하기 쉬운 사실인데, 수증기의 온도는 항상 100도가 아니다. 물이 액체에서 기체로 변하는 상변화 지점이 1기압 100도인 거지 수증기는 거기서 더 가열될 수 있다. 산업용 보일러는 300도까지 가열된 수증기를 사용하기도 한다. 얼음도 1기압 0도에서 얼기 시작하는 것이지 영하 100도짜리 얼음도 충분히 만들 수 있다. 액체질소속에 얼음을 담가놓고 충분히 기다리면 영하 197도짜리 얼음이 되는 것이다. 액체헬륨이 극저온냉각제로 사용되는 이유는 액체헬륨의 상변화지점이 영하 230도 부근이라서 다른 물질의 온도를 그만큼 낮춰주기 쉽기 때문이지 다른 물질을 그만큼의 온도로 냉각시키지 못해서가 아니다. 반대로 100도 미만의 수증기도 있다. 아니 사실 공기 중의 습도라는 지표만 봐도 알 수 있지만 수증기는 상온에도 존재한다. 상변화지점도 100도 미만으로 낮출 수 있다. 기압만 낮춰주면 된다.

단, 수증기를 1억 도씩이나 되는 온도로 가열해버리면 그때는 압력과 상관없이 플라즈마가 된다.

수증기도 물분자로 이루어진 물질이기 때문에 높은 비열을 갖고 있다. 물보다 부피가 1680배 크기 때문에 부피당 에너지는 물보다 훨씬 낮지만 같은 상의 기체분자들끼리 비교하면 분명히 수증기 쪽이 에너지가 높다. 충분히 고온의 수증기를 쐬면 종이 같은 건 불이 붙을 수도 있다! 다시 한 번 말하지만 수증기의 온도는 항상 100도가 아니다.

수증기의 다른 형태

주전자에 물을 넣어 끓이면 주전자 주변에 백색의 '김'이 발생하여 공기중으로 흩어지는 것을 볼 수 있다.이것은 수증기가 상대적으로 온도가 낮은 공기와 접촉하면서 일부가 아주 작은 물방울 형태로 변한 것으로 엄격히 말해 '김'은 액체상태의 아주 작은 물방울이다.

포화수증기압

일정한 온도에서 일정한 부피의 공간이 함유할 수 있는 수증기의 양의 한계를 포화수증기라고 하며 이 수증기가 나타내는 압력을 포화수증기압이라한다. 또한 공기중의 수증기양은 습도로 나타낸다.

기온이 낮아져 포화수증기압이 낮아지거나 습도가 높아져 공기중에 포화수증기압 이상의 수증기가 존재하면 공기 중에 있는 먼지 등이 응결핵으로 작용하여 작은 물방울 형태의 안개나 비가 된다.그러나 공기 중에 먼지와 같은 응결핵이 없는 깨끗한 공기인 경우에는 수증기의 과포화상태에서도 습도만 높아질 뿐 안개나 비는 발생하지 않는다.

코크스(coke)와 수증기의 반응

높은 온도로 가열한 코크스(석탄에서 휘발성분이 모두 날아가고 남은 고체)를 수증기에 접촉시키면 열을 흡수하여 일산화탄소(CO)와 수소의 혼합기체가 생긴다. 이 때 생긴 일산화탄소와 수소의 혼합 기체를 수성가스(water gas)라고 하며 수성가스를 연소시키면 매우 많은 열을 내며 연소하기 때문에 연료로 사용된다.

참고자료

• 〈수증기〉, 《위키백과》
• 〈수증기〉, 《두산백과》
• 〈수증기〉, 《나무위키》

같이 보기

• 물
• 얼음
• 증기
• 액화
• 기화

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