개념 한 쪽
증기는 압력과 온도에 따라 상태가 달라지며 포화 상태와 과열 상태를 구분해야 한다는 점을 이해해야 한다. 건도는 습증기 중 순수 증기 비율을 나타내는 핵심 지표이고, 증발잠열은 포화수와 건포화증기 엔탈피 차이로 정의된다. 포화온도와 잠열, 비체적은 압력 변화에 민감하게 반응하므로 압력 변화에 따른 방향성만 정확히 기억하면 여러 유형의 문제가 해결된다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「증기의 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 증기 상태 구분 | 1 | 건도 범위로 포화수·습증기·건포화증기 구별 |
| 건도 계산 | 1 | 전체 비체적으로 건도 구하고 액체 질량 산정 |
| 증발잠열·엔탈피 관계 | 1 | 증발잠열 정의와 압력에 따른 변화 방향 판별 |
포화온도(끓는점)는 주어진 압력에서 물이 끓는 온도를 가리키며 압력과 정비례 관계를 가진다. 즉 압력이 높을수록 포화온도는 상승하고, 반대로 압력이 낮으면 포화온도는 하강한다는 사실을 기본으로 삼아야 한다.
증발잠열은 같은 압력에서 건포화증기(포화증기)의 엔탈피 h''와 포화수(포화액)의 엔탈피 h'의 차로 정의된다. 식으로는 r = h'' − h'이며, 압력이 증가하면 증발잠열은 감소하는 경향을 보인다. 임계점에서는 잠열이 0이 되어 더 이상 증발로 상태 변화를 일으키는 구분이 사라진다.
습증기는 액체와 증기가 섞인 상태이며 건도 x는 습증기 전체 질량 중 건포화증기 질량이 차지하는 비율을 뜻한다. 건도는 0≤x≤1 범위를 가지며 x=0이면 포화수, x=1이면 건포화증기, 0<x<1이면 습증기 상태로 판정한다.
습포화증기의 엔탈피는 포화수의 엔탈피에 건도와 증발잠열의 곱을 더한 값으로 주어진다. 즉 h″ = h + γx 의 관계가 성립하며, 건도가 클수록 습증기가 가진 엔탈피가 커진다.
비체적과 증발잠열은 압력 상승에 따라 모두 감소하는 방향성을 가진다. 비체적은 단위 질량당 체적을 의미하며, 압력이 높아지면 같은 질량이 차지하는 부피가 줄어든다는 점을 기억해야 한다.
1) 건도 계산 문제 예시 문제 자료에 따라 전체 체적이 0.8m³이고 습증기 질량이 2kg이며, 주어진 조건에서 포화액의 비체적 vf = 1.0×10^−3 m³/kg이고 건포화된 증기의 비체적 vg = 0.46 m³/kg일 때 전체 비체적 v = V/m = 0.8/2 = 0.4m³/kg을 구한다. 건도 x는 x = (v − vf)/(vg − vf) = (0.4 − 0.001)/(0.46 − 0.001) ≒ 0.869로 계산한다. 액체 질량은 m(1 − x) = 2 × 0.131 ≒ 0.262kg으로 구한다. 이 과정에서 전체 비체적을 먼저 구하고, 건도 공식에 대입한 뒤 액체·증기 질량을 계산하는 순서를 지키면 문제를 빠르게 풀이할 수 있다.
2) 엔트로피 변화 계산 예시 100℃ 건포화증기 2kg이 열을 잃어 100℃ 포화액으로 변할 때의 엔트로피 변화는 ΔS = −m·r/T 공식을 사용한다. 주어진 증발잠열 r=2257kJ/kg, T=100℃=373.15K이므로 단위 질량당 엔트로피 변화는 −r/T ≒ −2257/373.15 ≒ −6.05 kJ/(kg·K)이고, 질량 2kg에 대해 전체 변화는 ΔS ≒ −12.1 kJ/K가 된다. 응축 과정은 부호가 음수라는 점과 온도는 절대온도(K)로 사용해야 한다는 점을 반드시 확인한다.
수증기의 증발잠열에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ③ · 문항은 수증기의 증발잠열의 정의를 묻고 있다. 증발잠열은 같은 압력에서 건포화증기 엔탈피와 포화액(포화수) 엔탈피의 차이로 정의되며 즉 r = h'' − h' 이다.
증발잠열은 같은 압력에서 건포화증기 엔탈피와 포화수 엔탈피의 차(h''-h')이며, 압력이 높을수록 작아진다.
어떤 압력하에서 포화수의 엔탈피를 h, 물의 증발잠열을 γ, 건도를 x 라 할 때, 습포화증기의 엔탈피 h＂구하는 식은?
정답 ① · 문항은 포화수 엔탈피 h, 증발잠열 γ, 건도 x가 주어졌을 때 습포화증기(혼합기체)의 엔탈피를 구하는 식을 묻고 있다. 습증기의 엔탈피는 포화수의 엔탈피에 건도만큼의 잠열을 더한 값이므로 h'' = h + γ x 가 성립한다.
습포화증기 엔탈피는 포화수 엔탈피 h에 건도×증발잠열 γx를 더한 h″=h+γx이다.
압력 0.4MPa, 체적 0.8m³인 용기에 습증기 2kg이 들어 있다. 액체의 질량은 약 몇 kg 인가? (단, 0.4MPa에서 비제적은 포화액이 0.001m³/kg, 건포화증기가 0.46mg/kg이다.)
정답 ② · 주어진 조건에서 전체 비체적(v)은 전체 체적을 질량으로 나누어 구합니다. v = 0.8m³ / 2kg = 0.4 m³/kg입니다.
건도 x = (v−vf)/(vg−vf)이고, 액체 질량은 m(1−x)로 구한다.
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