1. 개요
蒸 發 / Evaporation증발이란 액체의 표면에서 분자간 인력을 끊을 수 있는 입자가 분자간 인력을 끊고 기화하는 현상이다. 정상 상태의 액체 내부에서는 일어나지 않는다. 분자간 인력을 끊을 수 있는 입자가 끓는점에 도달하기 전에는 외부 압력을 이기지 못하기 때문이다.
2. 포화 증기압
포화 증기압이란 액체가 증발하다가 공기 중에 액체가 증발해서 만들어진 증기의 응축 속도와 액체의 증발 속도가 평형을 이룰 때의 증기의 압력을 의미한다.이 포화 증기압은 액체에 따라 다르며, 온도에 비례하는 특성을 가진다.
2.1. 증기압 내림
포화 증기압은 액체에 용질을 가해 용액이 되었을 때 감소한다. 특히 묽은 용액에서는 용질의 몰분율(용질의 몰 수/용질의 몰 수 + 용매의 몰 수)에 비례하여 감소한다.
이때 비전해질, 비휘발성의 경우 용질의 종류와 상관없이 감소한다.
2.2. 임계점
액체와 기체의 경계가 사라지는 온도/압력의 특이점으로, 이 이상으로 온도와 압력이 올라가면 초임계유체가 되어 증발이 일어나지 않게 된다.3. 끓음
끓음이란 포화 증기압이 외부 압력을 넘어섰을 때 나타나는 현상으로 액체 표면에서만 기화가 일어나는 증발과는 다르게 액체 전체에서 일어난다.[1]예를 들면 물의 경우 100도일 때 포화 증기압이 1기압과 같아져 끓기 시작한다. 외부 압력을 넘어설 때 일어나기에 압력 밥솥의 경우 밀폐된 공간을 만들어 물이 증발하면 증발한 수증기가 외부 압력을 높이게 하여 물이 더 높은 온도에서 끓게 만들고, 높은 산을 올라가면 기압이 낮아져서 물이 낮은 온도에서 끓는다.
사실 물이 100도가 된다고 해서 기화상태와 비교하여 드라마틱하게 깁스 에너지의 차이가 나는 것은 아니다. 증발과 마찬가지로 수증기 분압이 1기압이 되면 끓음도 멈춘다.[2] 100도가 되기 전에도 물 표면에서는 증기압과 같은 수준이 될 때까지 증발이 일어나며 깁스 자유에너지의 차는 -를 유지한다. 다만 증기압이 기압을 넘어서게 되면 그 속도가 비교할 수 없이 달라지며, 따라서 학부 수준에서 증발과 기압의 차이를 이야기할 때 증발은 열역학적 현상이고, 끓음은 반응속도론적 현상이라는 설명을 자주 한다.
3.1. 과열(overheat)
외부의 자극이 없을 때 온도가 끓는점 이상으로 올라갔음에도 준안정 상태로 접어들어 끓지 않는 상태이다. 이경우 준안정 상태라고는 하도 불안정하기에 약간의 자극만으로도 상태가 깨져 확 끓게 된다. 화학 실험할 때 혹은 전자레인지로 물을 데우면 가끔 일어나며 끓어 넘치면서 화상을 입히거나 대형 사고로 이어질 수 있으므로 실험에서는 과열을 방지하는 '끓임쪽[3]'이란 것을 넣으며 전자레인지로는 물을 끓이면 안된다.4. 증발열
기화열이라고도 한다. 액체는 증발하면서 주위의 열에너지를 흡수하는데 이때 흡수하는 열에너지를 증발열이라고 한다.물의 경우 증발하면서 흡수하는 열에너지가 큰 편이다.[4] 체온 조절을 위해 땀을 흘리는 이유가 이 기화열 흡수 때문이며, 더운 날에 마당에 물을 뿌리면 시원해지는 것, 알코올 소독을 하면 피부가 시원해지는 것 등도 기화열 흡수의 예가 된다.
5. 기타
액체가 증발해 기체가 되는 기화 과정은 열을 필요로 하며 액체가 기화하며 흡수하는 열을 '기화열'이라고 한다. 기화할 때 액체가 기화열을 주변으로부터 흡수하는 현상에 착안하여 땀이 마를 때 기화열로 인해 체온을 낮춰주는 효과를 증폭시킨 형태의 섬유를 '냉감섬유' 라고 한다. 냉감섬유로는 주로 스포츠 용품을 만들며, 대표적인 예가 냉감섬유로 만든 팔토시인 쿨토시이다.
[1]
일반적으로 물을 데울때에는 용기를 바닥에서 데우므로 주로 바닥에서 일어난다. 완전히 내부의 경우엔 대기압+물의 수압을 이겨야 기화가 가능하기 때문에 100도보다 높은 온도여야 끓을 수 있으나 대류 때문에 물 전체가 100도를 넘기기는 쉽지 않다.
[2]
정확히는 끓어도 물 양이 변하지 않는다.
[3]
보통 도자기 파편을 쓴다.
[4]
수소결합 때문이며, 약 539cal/g 또는 40.6 J/mol이다