[열역학 개념의 해설] 잠열

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제11장 '잠열' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

11. 잠열

물질이 상태가 변화할 때 필요한 열을 잠열 또는 숨은열이라고 하는데요. 물질의 상변화가 일어날 때에는 열이 유입되어도 온도가 변하지 않기 때문에 잠열 (숨은열)이라는 이름이 붙었답니다. 

 

사실 18세기까지는 물질의 상태와 상관없이 온도가 똑같으면 물질이 가지고 있는 열량이 동일하다는 열소이론이 지배적이었고, 잠열에 대한 개념이 없었는데요. 18세기 조세프 블랙이라는 학자의 실험을 통해 잠열에 대한 개념이 처음 확립되었어요. 그는 0.5도의 물과 0도의 얼음을 똑같은 조건에 두고, 4도의 물이 될 때까지 필요한 시간을 비교하였는데요. 그 결과 얼음이 4도가 되는 데 걸리는 시간이 0.5도의 물이 걸린 시간보다 훨씬 길다는 것을 관찰하였고, 잠열의 존재를 인식하였답니다. 이를 통해 열 소 이론이 반박되고, 열의 본질은 분자의 운동과 연관이 있다는 주장이 설득력을 얻게 되었지요. 

 

한편, 열이 전달되면 두 가지 형태로 물질의 입자에 영향을 주는데요. 첫 번째는 입자의 운동에너지가 증가하는 것이에요. 입자의 운동에너지가 증가하여 입자들이 활발하게 움직이면, 더 많은 충돌을 하기 때문에 온도 또한 증가하게 된답니다. (이때 전달되는 열을 '헌열'이라고 부른답니다) 두 번째는 입자 사이의 간격과 관련된 위치에너지가 증가하는 것이에요. 이때는 온도 변화는 일어나지 않고, 입자사이의 간격이 변화하여 상변화가 일어나죠. (이때 전달되는 열을 '잠열' 이라고 해요!)

 

따라서 상변화 시 입자 사이의 간격이 많이 변화할수록, 잠열 또한 크다는 것을 짐작할 수 있는데요. 일반적으로 고체에서 액체가 되는 융해열보다, 액체에서 기체가 되는 증발열이 더 크다는 것을 알 수 있어요. 

 

화학공학에서는 물의 잠열이 많이 이용되는데요. 수증기의 잠열을 이용하여, 공정에서 필요한 에너지를 많이 얻는답니다. 따라서 압력에 따른 수증기의 잠열에 대한 정보가 필요한데요. 이는 수증기 표에 잘 정리되어 있어요.

 

그럼 여기서 퀴즈! 압력이 증가할 수록 물질(유체)의 잠열은 커질까요? 작아질까요? 정답은 작아진답니다. 압력이 증가하면 기체 입자 사이의 간격은 크게 감소하는 반면 액체 입자 사이의 간격은 거의 비슷하기 때문에, 압력이 증가할 수록 상변화시 변화하는 입자 사이의 간격이 줄어들고, 잠열 또한 줄어든답니다. 이렇게 잠열에 계속해서 줄어들다가, 상 구분이 없는 임계 상태로 가면 잠열이 0이 된다지요. 

 

마지막으로 잠열은 물질의 상변화 시 수반되는 엔탈피의 변화로 정의할 수도 있는데요. 엔탈피의 정의를 생각해보면, 잠열 또한 내부 에너지, 부피, 압력 변화를 모두 포함한 개념임을 확인할 수 있답니다.

 

그럼 잠열에 대한 포스팅을 마치도록 하겠습니다.