안녕하세요.
제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.
덥고 건조한 날, 춥고 습한 날, 어떤 날이 빨래가 잘 마를까요? 당연히 덥고 건조한 날에 빨래가 뽀송뽀송하게 잘 마르겠지요. 빨래가 잘 마른다는 건, 증발이 잘 일어난다는 소리고요. 거꾸로기온이 낮고 습도가 높으면 증발이 잘 일어나지 않겠지요.
이번 시간에는 기온, 공기중에 있는 수증기의 양, 습도가 어떤 관련이 있는지에 대해 공부해보겠습니다. 나중에 그래프를 보고 계산을 하는 문제를 해결하기 위해서는 이번 학습자료에 나오는 개념이 무척 중요하기 때문에 꼭 집중해서 읽어봐주세요 ^^
*** 증발과 포화
■ 증발 [evaporation, 蒸發]
증발은 액체의 표면에서 액체가 기체로 변하는 현상입니다. 빨래가 마르거나, 바닥에 고인 빗물이 마르는 것은 증발이 일어나기 때문이죠.
증발은 기온이 높을수록, 건조할 수록, 바람이 많이 불수록 잘 일어납니다. 또한 빨래를 넓게 펼쳐서 널어놓아야 잘 마르는 것처럼 공기와 닿는 면적이 넓을수록 증발이 잘 일어나죠.
▶ 증발이 잘 일어나기 위해서는
- 기온이 높아야 한다
- 습도가 낮아야 한다
- 바람이 많이 불어야 한다
- 공기와 닿는 표면적이 넓어야 한다
■ 응결 [condensation, 凝結]
응결은 증발의 반대작용이 일어나는 현상입니다. 공기 중에 있는 수증기가 다시 액체로 변하는 현상입니다. 얼음을 넣은 물컵의 표면에 물방울이 생기는 현상, 아침에 안개가 생기는 현상이 바로 응결이 일어나기 때문입니다.
■ 포화 [saturation, 飽和]
한 컵의 물 속에 설탕을 계속 녹이다보면 더이상 녹아들어가지 않는 순간이 옵니다. 그때 '포화 상태가 됐다'라고 말하지요.
공기 중의 수증기도 포화 상태가 된답니다. 그림처럼 가로, 세로, 높이가 1m인 상자에 물을 담은 비커를 넣어둔다고 생각해봅시다. 서서히 증발이 일어나 비커의 물의 양이 줄어들겠지요. 하지만 시간이 지나면 더이상 비커 속 물이 줄어들지 않는 순간이 옵니다. 상자 속에 있는 공기가 포함할 수 있는 수증기의 양이 꽉차기 때문인데요, 이때도 '포화 상태가 됐다'라고 표현합니다.
이렇게 어떤 공기가 수증기를 최대로 포함하고 있는 상태를 '포화 상태'라고 합니다.
*** 포화 수증기량
■ 포화 수증기량, 현재 수증기량
포화 수증기량이란 어떤 온도에서 공기 1kg 또는 공기 1㎥가 최대한 포함할 수 있는 수증기의 양(g)입니다. 즉, 공기 1kg가 수증기가 최대 몇 g을 포함할 수 있는지를 나타낸 것입니다. 그래서 단위는 g/kg입니다.
온도가 높을 때 증발이 잘 일어나는 것처럼, 온도가 높아질수록 공기가 포함할 수 있는 수증기의 양이 많아집니다.
또 현재 수증기량이란 말그대로 현재 공기 1kg에 포함되어있는 수증기의 양(g)을 나타낸 것이죠.
■ 수증기량 그래프
x축은 기온(℃)을, y축은 수증기량(g/kg)을 표시한 그래프가 있습니다.
여기에 기온에 따라 공기 1kg이 최대한 포함할 수 있는 수증기의 양을 표시해보겠습니다.
- 기온이 5℃일때 포화 수증기량은 6.8 g/kg
- 기온이 15℃일때 포화 수증기량은 12.8 g/kg
- 기온이 25℃일때 포화 수증기량은 23.1 g/kg
이렇게 각 온도에 따른 포화 수증기량을 모두 표시해서 선으로 이으면 아래와 같은 곡선이 그려집니다. 이 곡선을 '포화 수증기량 곡선'이라고 합니다. 기온이 올라갈수록 최대한 포함할 수 있는 수증기량이 증가하는 것을 볼 수 있습니다.
자, 이 그래프에 어떤 공기 A의 상태를 표시해보겠습니다.
공기 A의 현재 기온은 25℃ 입니다. 그래서 최대한 포함할 수 있는 포화 수증기량은 23.1 g/kg 이죠. 하지만 현재 수증기량은 12.8 g/kg 밖에 없습니다. 포화 상태가 아닌 불포화 상태네요.
■ 불포화 → 포화 상태로 만드는 2가지 방법
불포화 상태인 공기 A를 포화 상태로 만들기 위해서 2가지 방법을 쓸 수 있습니다.
첫번째, 수증기를 더 넣어주면 됩니다.
현재 기온 25℃에서 최대한 포함할 수 있는 수증기량은 23.1 g/kg 인데, 현재 12.8 g/kg 밖에 없죠. 그러다면 수증기를 얼마나 더 넣어주면 포화 상태가 될까요? 네, 10.3 g 만큼의 수증기를 더 넣어주면 쉽게 포화 상태가 되겠지요.
두번째, 온도를 낮춰주면 됩니다.
공기 A가 현재 가지고 있는 수증기량은 12.8 g 입니다. 이 공기의 기온을 15℃로 낮춰보겠습니다. 기온이 15℃일 때 최대한 포함할 수 있는 포화 수증기량이 12.8 g 이죠? 공기 A의 온도를 15℃로 낮추면 수증기를 더 넣어주지 않고도 포화 상태를 만들 수 있습니다.
*** 이슬점
자, 방금 불포화 상태 공기 A의 기온을 15℃ 만큼 낮춰서 포화 상태를 만드는 방법을 이해하셨죠? 이렇게 불포화 상태의 공기가 온도가 낮아져서 포화 상태가 되는 순간의 온도를 '이슬점'이라고 합니다. '이슬'이라는 이름은 포화 상대가 되면 안개나 이슬이 생기는 것처럼 수증기의 응결이 시작되기 때문입니다.
그냥 들었을 때는 이해가 잘 되지 않기 때문에 그래프를 보고 설명드릴게요. 알고보면 참 쉬운 개념입니다. 공기 A, B, C를 예로 들어보겠습니다. 공기 B와 공기 C는 현재 온도는 다르지만 포함하고 있는 현재 수증기량은 6.8 g으로 같네요.
- 공기 A: 현재 온도 25℃, 현재 수증기량 12.8 g
- 공기 B: 현재 온도 25℃, 현재 수증기량 6.8 g
- 공기 C: 현재 온도 10℃, 현재 수증기량 6.8 g
공기 A의 온도를 떨어뜨려서 포화 상태가 될때 온도는 15℃ 입니다. 즉 공기 A의 이슬점은 15℃ 라고 할 수 있죠.
자, 공기 B도 점점 냉각시켜봅시다. 그러다가 포화 상태가 되는 온도는? 그렇습니다. 공기 B의 이슬점은 5℃가 되겠지요.
같은 방법으로 공기 C의 이슬점도 찾아봅시다. 네, 공기 C의 이슬점도 5℃ 입니다.
그래프로 이해하니까 참 쉽죠? ^^ 이슬점이라는 용어가 익숙하지 않을 뿐, 개념은 아주 쉽답니다. '이슬이 생기기 시작하는 온도'라고 생각하시면 됩니다.
■ 이슬점과 현재 수증기량의 관계
앞서 본 것처럼 공기 B와 공기 C의 이슬점은 5℃ 로 같았습니다. 왜 이슬점이 같은 걸까요?
온도는 다르지만 현재 수증기량이 6.8 g 으로 같기 때문입니다.
거꾸로 생각해보면 이렇게도 생각할 수 있습니다. 온도가 다르더라도 이슬점이 같은 공기는 현재 수증기량이 같다, 라고요. 또한 현재 수증기량이 많을수록 이슬점이 높다, 라고 판단할 수 있겠죠.
★ 이슬점이 같은 공기 = 현재 수증기량이 같은 공기
★ 현재 수증기량과 이슬점은 비례한다
■ 응결량 계산하기
그렇다면, 이슬점에 도달한 포화 상태의 공기를 더 냉각시키면 어떤 일이 벌어질까요?
공기 중에 기체 상태로 존재하던 수증기가 액체로 상태변화를 일으키게 됩니다. '응결'이 일어나는 것이죠. 수증기량 그래프로 응결이 되는 수증기의 양도 계산할 수 있습니다.
현재 기온 25℃, 현재 수증기량 12.8 g 인 공기 A를 5℃ 로 냉각시켜 보겠습니다.
5℃가 되면 공기 1kg이 최대한 포함할 수 있는 수증기량이 6.8 g 밖에 되지 않습니다. 그렇다면 공기 A가 가지고 있던 12.8 g 중 6.8 g 만이 수증기로 존재할 수 있고 나머지 6 g은 다시 액체로 응결이 됩니다.
공기 A가 5℃로 냉각되었을 때의 응결량은 6 g이 됩니다. 이 개념도 어렵지않게 이해하실 수 있겠지요? ^^
증발, 응결, 포화 수증기량, 이슬점 등 이번 학습자료에서 공부한 새로운 개념이 무척 많습니다. 모든 과목에서는 개념의 '정의'가 중요합니다. 새로운 개념이지만 정의를 확실히 알고 그래프를 통해 이해하면 어렵지 않게 머릿속에 정리하실 수 있을거에요 ^^ 혹시 이해되지 않는 부분이 있다면 댓글이나 방명록, 메일로 질문해주시면 성실히 답변 드리겠습니다. 오늘도 열공, 화이팅입니다!!
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