액화

액화(liquefaction)는 기체가 응축(凝縮)하여 액체가 되는 변화, 또는 고체가 녹아 액체가 되는 변화로 일반적으로는 앞의 것을 가리킨다. 또 실온 정도에서 응축하여 액체가 되는 경우(예를 들면 수증기의 응축)보다는 가압(加壓)에 의해 기체가 액체가 되는 경우를 가리킬 때가 많다. 일반적으로 어떤 기체든 그 기체에 특유한 임계온도(臨界溫度) 이하로 냉각시키고 가압하면 액화한다. 그러나 산소와 질소는 임계온도가 각기 -118℃, -147℃이기 때문에 상온에서 아무리 압축해도 액화하지 않는다. 이와 같은 기체를 영구기체(永久氣體)라고 한다. 임계온도 이하로 냉각시키려면 줄-톰슨 효과 등을 이용한다. 액화된 기체는 부피가 작으므로 수송이나 보전, 또는 저온용 냉각제(冷却劑)에 편리하다. 보전용으로는 프로판·부탄 등이 있고, 저온용 냉각제로는 액체공기(끓는점 약 -190℃)·액체수소(끓는점 약 -252℃)·액체헬륨(끓는점 -268℃) 등이 있다. 액체헬륨은 초전도자석(超傳導磁石)·조셉슨 소자(素子)의 동작에 없어서는 안 되는 냉매이다.

상세

상전이 간의 관계도

액화는 기체가 액체 상태로 되는 현상을 이르는 말로서 응축이라고도 한다.

물질은 온도, 압력 등 주어진 조건에 따라 다양한 상을 가진다. 물질이 가질 수 있는 상은 크게 네 가지로, 고체, 액체, 기체, 플라스마이다. 이 상들 간의 전이를 상전이라고 하는데, 그림은 각 상전이에 대한 명칭을 보여주고 있다. 액화는 기체상이 액체상으로 변하는 현상을 뜻한다. 액화는 응축(condensation)이라는 용어와 흔히 혼용된다. 그 반대 현상은 기화이며, 끓는점 미만에서 기화하는 현상을 증발(evaporation)이라고 한다. 액화는 열을 방출하는 상전이 현상으로, 액화할 때 방출하는 열을 액화열(heat of liquefaction)이라고 한다.

액화의 가장 흔한 사례는 차가운 물이 담긴 유리컵을 실온 중에 놓아 두었을 때, 컵 표면에 물방울이 맺히는 현상을 들 수 있다. 이는 다음과 같이 이슬점과 관계 있는 현상이다. 공기가 함유할 수 있는 최대의 수증기량인 포화 수증기량은 온도에 따라 올라간다. 대기를 냉각시키면 포화 수증기량이 감소하기 때문에 상대습도가 증가한다. 상대습도가 100%가 되어 대기가 포화 상태가 되면 대기 중의 수증기가 더 이상 수증기 상태로 존재하지 못하고 액체인 물방울로 변하게 되는데, 이때의 온도를 이슬점이라고 한다. 이슬점 온도에서는 물이 수증기로 변하는 기화 속도와 수증기가 물로 응결(액화)되는 속도가 같다. 이슬점 온도 이하에서는 수증기의 액화 속도가 기화 속도가 빨라서 물방울이 생긴다.

또 다른 예로는 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)를 들 수 있다. 메탄이 주성분인 천연가스를 튼튼한 탱크 안에 가두어 놓고 -162℃ 정도로 냉각하여 액화시킨다. 액화된 천연가스는 그 부피가 기체일 때보다 약 600 분의 1로 줄어들어서 운송 및 저장이 훨씬 쉽게 된다. 일반적으로 천연가스는 깊은 바다 밑 지층에 매장되어 있는데, 이를 바다 위에 떠 있는 시추선이 뽑아내어 그 자리에서 액화시킨 뒤 극저온 해상 운송선등을 이용하여 수요가 있는 국가들로 수송하게 된다.

네델란드의 물리학자인 오너스(H. K. Onnes, 1853-1926)는 헬륨 기체를 최초로 액화한 사람이다. 헬륨의 임계온도는 - 267.9℃였고, 이 온도는 절대온도 0도 (- 273.15℃)보다 5도 정도밖에 높지 않았지만, 오너스는 이미 1908년에 헬륨 액화에 성공하였다.

어떤 물리계가 이 상에서 저 상으로 바뀌는 상전이 현상은 많은 경우 다른 열역학적 변수를 고정시켰을 때 특정 온도를 경계로 일어나는데, 이 온도를 해당 상전이의 임계온도(critical temperature)라고 부른다. 그리고 상전이 경계(phase transition boundary) 양쪽에 위치한 두 상들은 일반적으로 다른 엔트로피 함수를 갖게 되는데, 그것은 두 상 중 하나가 더 질서화된 상태(ordered state)에 해당하기 때문이라고 말할 수 있다. 예를 들면 액체에서 고체로 전이하는 경우 고체 상태에 있을 때 물질을 구성하는 분자들이 더 질서화되었다고 말할 수 있고, 자성체의 경우 강자성을 보일 때가 상자성 상태에 있을 때보다 더 질서화된 상태에 해당한다. 강자성체에서 질서화는 각 원자가 갖고 있는 자기모멘트(magnetic moment)가 한 방향으로 정렬되는 것과 직결된다. 상전이가 가능한 계에서 계의 엔트로피를 온도의 함수로 볼 때 임계온도에서 엔트로피가 불연속적으로 변하면, 해당 상전이는 물이 얼음으로 변하는 경우처럼 숨은열(latent heat)이 관계함을 뜻한다.

참고자료

• 〈액화〉, 《물리학백과》
• 〈액화〉, 《사이언스올》

같이 보기

• 기화
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