물의 증기압과 증발열


1. Abstract (요약)
액체의 특성을 잘 나타내 주는 증기압과 몰증발열을 충분히 이해하기 위해 물의 증기압 변화를 측정하고 몰증발열을 구하는 과정을 통하여 상변화 및 상평형에 대한 기초를 공부한다.
증발은 액체의 분자가 액체의 표면을 이탈하는 것이며 이는 상태변화의 한 과정이다. 이 실험에서는 물이 증발할 때 이로 인한 증기압을 구하고, 증발열을 구한다.

2. Introduction (이론 및 배경)

[ 원리 ]

액체의 특성을 잘 나타내 주는 증기압과 몰증발열을 충분히 이해하기 위해 물의 증기압 변화
를 측정하고 몰증발열을 구하는 과정을 통하여 상변화 및 상평형에 대한 기초를 공부한다.

1) 상변화
모든 물질을 기체, 액체, 고체의 세가지 중 한가지로 존재하며 각각의 상이 외부의 조건에 의해 다른 상으로 변하는 현상을 상변화라고 한다. 기체가 액체로 변하는 액화, 액화가 기체로 변하는 기화, 고체가 액체 과정을 거치지 않고 기체로 변하거나 기체가 바로 고체가 되는 승화가 있다.
한 상에서 다른 상으로 변하는 상변화는 대개는 열의 형태로 에너지를 가하거나 제거할 때 일어난다. 고체 상태에 있는 분자들은 고정된 상태로 잘 배열되어 있고 액체 상태의 분자들은 고체에 비행 끊임없이 운동을 하지만 기체에 비해 조밀한 배열을 가진다.
기체 분자들은 활발하게 운동하며 가장 무질서하게 존재하는데 이러한 상들의 분자간 배열 형태나 길이의 변화가 바로 상변화인 것이다.
융해, 기화, 승화와 같이 가까워지면 열을 방출한다.

2) 액체의 상변화
밀폐된 상자 내에 액체 상태로 있는 분자를 생각해보자. 이들 액체 분자들은 끊임없이 운동을 하여 일부는 액체의 표면으로부터 탈출할 수 있을 정도의 충분한 에너지를 가지게 된다. 이 과정을 증발 또는 기화라고 하는데 일부의 분자들이 액체를 탈출하면 바로 증기가 발생하고, 이 때 액체의 증기상 분자들은 증기압을 갖게 된다.
여기에서 증기압…(생략)

이 크다는 것은 증발이 잘 됨을 의미한다. 증발되는 분자들의 수가 많아짐에 따라 증기압을 증가하게 되나 시간이 지남에 따라 일정한 값으로 유지된다. 이는 증기 상에 많아진 분자들 중 일부는 액체상으로 다시 되돌아가는 응축현상이 일어나기 때문인데 증발과 응축 속도가 같아지는 동적평형상태일 때의 증기압을 평형 증기압이라고 한다.
증기압은 온도에 따라 변하며 온도가 증가할수록 높은 운동에너지를 갖는 분자의 수가 많아져 기체상의 분자 수가 증가하고 따라서 증기압이 증가하게 된다.

3) 몰증발열
몰증발열은 끓는점, 휘발성과 함께 분자들이 얼마나 강하게 액체에 결합되어 있는가를 알 수 있는 중요한 수치이다. 즉, 액체 1몰을 증발시키는데 필요한 에너지를 말하며 분자간 힘의 세기에 정비례한다. 분자간 힘의 세기가 크면 액체가 증발되기 어려울 것이므로 증기압은 낮고 몰증발열은 클 것이다.
[ clausins - clapeyron 식 ]

ln P 〓
여기에서 ln은 자연로그, R은 기체상수(8.314J/K·mol)이고 C는 상수이다. 이 식은 1차 방정식(y 〓 ax+b)의 형태이므로 lnP와 1/T를 구하고 그래프를 그리면 기울기 를 알 수 있고 다라서 몰 증발열(?Hvap)를 계산할 수 있다. 또한 특정온도에서 액체의 ?Hvap와 P값을 알고 있다면 다른 온도에서 액체의 증기압을 아래와 같이 계산할 수 있다.
ln 〓
여기에서 R은 기체상수 (8.314J/K·mol)이다.

*상변화 : 열을 가함에 따라 물질이 고체, 액체, 기체로 변화하는 것을 상변화라고 한다. 상태변화(change of state)라고도 한다.

*융해 : 고체상태의 물질이 에너지를 흡수하여 액체로 상태변화가 일어나는 일. 용융이라고도 하며, `녹음`을 의미한다. 물질의 상태변화중의 하나로, 고체보다 에너지상태가 더 높고 분자배열이 느슨하며 분자 간의 인력이 약한 액체로 변화하는 것이다.
*기화 : 액체가 열에너지를 흡수하여 기체로 변하는 현상.
- 증발과