증발과 끓음
해발 약 3,100 m인 미국 콜로라도주 레드빌의 기압은 약 68 kPa이고, 물은 약 90 °C에서 끓습니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
서늘한 날에도 길 위의 웅덩이는 100 °C 근처에 한 번도 가지 않은 채 말라 버립니다. 반면 가스레인지 위 냄비에 담긴 물은 한동안 조용히 있다가 약 100 °C가 되어서야 거품을 내기 시작합니다. 둘 다 액체가 기체로 바뀌는 기화(vaporization)이지만, 같은 과정은 아닙니다. 증발(evaporation)은 액체의 표면에서만 일어나고, 어느 온도에서나 일어날 수 있습니다. 끓음(boiling)은 액체 전체에서 일어나며, 액체 위에서 누르는 압력에 따라 정해지는 하나의 특정한 온도에서 일어납니다.
증발과 증기 압력
어떤 액체에서든 분자들의 빠르기는 서로 제각각입니다. 표면에 있는 분자 가운데 몇몇은 이웃 분자들을 뿌리치고 공기 중으로 빠져나갈 만큼 빠르게 움직이고 있습니다. 이것이 바로 증발입니다. 가장 빠른 분자들이 먼저 떠나 버리므로, 뒤에 남은 분자들의 평균 에너지는 낮아집니다. 그래서 액체는 식습니다. 땀도 이런 방식으로 몸을 식혀 줍니다. OpenStax는 더운 기후에서 땀 1.5 L가 증발하면 그것만으로 몸에서 약 3,600 kJ의 열을 가져간다고 어림합니다.
마개를 닫은 병 속에서는 빠져나간 분자들이 액체 위 공간에 모이고, 그 가운데 일부는 다시 액체 쪽으로 부딪쳐 되돌아갑니다. 시간이 지나면 마침내 1초마다 떠나는 분자 수와 되돌아오는 분자 수가 같아집니다. 그 상태에서 증기가 내는 압력을 그 액체의 증기 압력(vapour pressure)이라고 합니다. 증기 압력은 어떤 물질인지와 온도에 따라 정해지고, 병이 크든 작든 관계가 없습니다. 분자끼리 약하게 끌어당기는 액체일수록 증기 압력이 높습니다. 예를 들어 20 °C에서 메탄올의 증기 압력은 11.9 kPa이고, 에탄올은 5.95 kPa입니다. 액체를 데우면 빠져나갈 수 있을 만큼 에너지가 큰 분자가 더 많아지므로, 증기 압력도 올라갑니다.
끓는점은 위의 공기에 달려 있습니다
액체는 자신의 증기 압력이 주변의 압력과 같아질 때 끓습니다. 그때가 되면 액체 안쪽에서 생긴 증기 거품이 주변 압력에 짓눌려 찌그러지지 않고 생겨날 수 있습니다. 1기압(101.3 kPa)에서의 끓는점을 정상 끓는점(normal boiling point)이라고 합니다. 물의 정상 끓는점은 100 °C입니다. 높은 산 위에서는 기압이 더 낮으므로, 물이 더 낮은 온도에서 끓습니다. 예를 들어 기압이 약 68 kPa인 레드빌에서는 물이 약 90 °C에서 끓습니다. 압력솥은 정반대로 작동합니다. 수증기를 안에 가두어 압력을 높이므로, 물이 100 °C보다 더 뜨거워진 뒤에야 끓게 됩니다.
기화에는 녹을 때보다 훨씬 많은 에너지가 듭니다. 이웃 분자와의 끌어당김을 그저 느슨하게 하는 데서 그치지 않고, 하나도 빠짐없이 모두 끊어야 하기 때문입니다. 물의 기화 엔탈피(enthalpy of vaporization)는 25 °C에서 44.01 kJ/mol이고, 끓는점에서는 40.67 kJ/mol입니다. 이것을 얼음을 녹이는 데 드는 6.01 kJ/mol과 비교해 보세요. 물 1몰을 끓이는 데는 같은 양을 녹일 때보다 거의 7배나 많은 에너지가 듭니다. 반대로 기체가 액체로 바뀌는 응결(condensation)은 그 에너지를 고스란히 돌려줍니다. 그래서 같은 온도라도 수증기에 데었을 때가 물에 데었을 때보다 더 심하게 다칩니다.
액체를 건너뛰는 변화
어떤 고체는 액체를 거치지 않고 바로 기체로 바뀝니다. 이것을 승화(sublimation)라고 합니다. 고체 상태의 이산화 탄소인 드라이아이스는 실온에 두면 웅덩이 하나 남기지 않고 서서히 사라집니다. NIST 자료를 보면 그 까닭을 알 수 있습니다. 이산화 탄소는 5.185 bar, 다시 말해 보통 공기 압력의 약 5배보다 높은 압력에서만 액체 상태로 있을 수 있습니다. 그래서 1기압에서는 약 −78 °C에서 고체가 바로 기체로 바뀝니다. 이산화 탄소의 승화 엔탈피는 26.1 kJ/mol입니다. 그 반대로 기체가 바로 고체가 되는 변화는 증착(deposition)이라고 합니다. 맑고 추운 밤에 자동차 유리창 위로 서리가 자라나는 것이 바로 이 증착입니다.
- 증발과 끓음의 차이는?
- 증발은 표면에서 어느 온도에서나, 끓음은 액체 전체에서 한 온도에서
- 증발은 기체를, 끓음은 액체를 만든다
- 차이가 없다
- 증발하면 액체가 식는 까닭은?
- 가장 빠른 분자가 떠나 남은 분자의 평균 에너지가 낮아져서
- 공기가 늘 액체보다 차가워서
- 증발이 열을 내놓아서
- 액체는 증기 압력이 어떻게 될 때 끓을까요?
- 주변 압력과 같아질 때
- 0이 될 때
- 1 kPa가 될 때
- 높은 산에서 물이 100 °C보다 낮은 온도에서 끓는 까닭은?
- 기압이 낮아서
- 물이 더 깨끗해서
- 태양이 더 가까워서
- 20 °C에서 증기 압력이 더 높은 액체는?
- 메탄올(11.9 kPa)
- 에탄올(5.95 kPa)
- 같다
- 100 °C 물 2.00몰을 끓여 기체로 만드는 데 필요한 열은 몇 kJ일까요? (40.67 kJ/mol, 소수 둘째 자리)
- 물 1몰을 100 °C에서 끓이는 데 40.67 kJ, 얼음 1몰을 녹이는 데 6.01 kJ가 듭니다. 끓이는 데 몇 배가 들까요? (소수 첫째 자리)
- 드라이아이스가 녹지 않고 사라지는 것은?
- 승화
- 증착
- 응결
- 같은 온도라도 수증기에 데면 물에 덴 것보다 심한 까닭은?
- 수증기가 피부에서 응결하며 기화열을 내놓아서
- 수증기는 늘 100 °C보다 뜨거워서
- 수증기는 플라스마여서
- 압력솥이 음식을 빨리 익히는 원리는?
- 압력이 높아 끓는점이 100 °C보다 올라가서
- 공기를 다 빼서 물이 0 °C에서 끓어서
- 물을 적게 써서
- 증발: 표면에서, 어느 온도에서나, 액체를 식힘.
- 끓음: 증기 압력 = 바깥 압력, 물은 101.3 kPa에서 100 °C.
- 물의 기화열 100 °C에서 40.67 kJ/mol, 융해열 6.01 kJ/mol의 약 6.8배.
- 승화: 고체 → 기체(드라이아이스). 증착: 기체 → 고체(서리).
이 과정의 출처 (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
확인한 날: 2026-10-17