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문제 정의
- 공기가 존재하는 경우 수증기의 부분 압력은 물의 증기 압력과 얼마나 달라지는지 생각해보자. 물만 존재하는 경우에는 25℃에서 평형에 도달하면 증기 압력인 0.
- 공기가 함께 존재하는 경우에는 물만 있는 경우와 어떻게 다른지 알아보기 위해 또 다른 상상 실험을 해보자.
- 그러면 물만 존재하는 경우에는 과연 1기압, 0〜100℃에서 액체 물만 존재하는가를 알아보자. 실험실은 대기에 노출되어 있기 때문에 항상 공기가 존재한다.
- 닫힌계의 경우 비평형 상태에서 평형 상태로 가는 과정을 알아보기 위하여 이번에는 압력을 변화시켜보자.
- 그러므로 상평형 그림에 대한 과학 교사들의 이해를 돕기 위해서 현재 야기되고 있는 혼란에 대해 좀 더 명확한 해석과 설명이 필요한 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 대기 중에서 물의 증발과 얼음의 승화 현상과 관련하여 선행 연구들에서 나타난 의문점들을 살펴보고 이에 대한 논의를 통하여 올바른 이해 방안을 제시함으로써 교사들의 의문점을 해소하고 추후 교과서 집필에 도움이 되고자 한다.
- 3-4 그 중에서도 가장 핵심적인 의문점은 공기가 있을 때 상평형 그림의 적용과 상평형 그림에서 압력의 의미로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 이 두 가지 의문점을 중심으로 이러한 의문점이 나타나게 된 근본적인 원인을 살펴보고 올바른 이해 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 물만 존재하는 경우 상평형 그림의 해석, 공기가 함께 존재하는 경우 상평형 그림의 적용과 대기 중에서 물의 증발, 상평형 그림에서 압력의 의미, 대기 중에서 얼음의 승화 등에 대해 차례로 논의하고자 한다.
- 따라서 공기가 없이 물만 존재하게 하려면 닫힌계를 생각할 수밖에 없다. 물만 존재하는 경우의 상 변화를 알아보기 위해 간단한 상상 실험을 해보자.
- 여기서 물의 상평형 그림과 관련시켜 생각해보자. 온도는 25℃인데, 압력은 얼마인가? 액체 물이 받는 압력은 1기압이고, 기체상에서 공기와 함께 존재하는 수증기가 나타내는 부분 압력은 0.
- 공기가 함께 존재하는 경우에도 평형에서 수증기의 부분 압력은 상평형 그림의 증기 압력 곡선으로부터 알 수 있기 때문이다. 왜 그런지 그 이유를 살펴보자.
- 액체 물의 일부가 수증기로 변하게 되면 수증기가 압력(수증기압)을 나타내게 되고 액체 물도 수증기가 나타내는 압력을 받게 된다. 이 때 실제로는 물의 기화에 의해 온도가 내려갈 수 있지만 주위로부터 열을 흡수하여 온도는 25℃를 유지한다고 하자. 액체 물의 기화가 계속되면 수증기압이 점차 증가하게 되어 주사기 속의 압력이 증가하게 될 것이다.
- 그러므로 액체상과 기체상이 공존하는 현재 상태는 비평형 상태이고, 평형 상태로 가기 위해 수증기는 액화하게 된다. 이 때도 수증기의 액화에 의해 온도가 올라갈 수 있지만 주위로 열을 방출하여 온도는 25℃를 유지한다고 하자. 액화가 계속되면 기체상의 부피가 점점 줄어들다가 결국은 기체상이 모두 없어지고 처음과 같이 액체상만 존재하게 된다(Fig.
- 이번에는 상상 실험 2와 반대로 압력을 높인 경우를 생각해보자.
- 031기압이다. 이와 달리 공기가 존재하는 경우에는 액체 물이 받는 압력이 1기압이 되는데, 평형에 도달했을 때 공기 중에 존재하는 수증기의 부분 압력은 얼마나 될까? 즉, 물이 받는 압력이 0.031기압에서 1기압으로 변하게 되면 이와 평형을 이루고 있는 수증기의 압력은 어떻게 달라지는지 알아보자. 증기 압력은 그 물질만 존재하는 경우에 액체와 평형을 이루고 있는 증기의 압력으로 정의되므로 공기가 함께 존재하는 경우에 액체 물과 평형을 이루는 수증기의 부분 압력을 증기 압력과 구별하기 위하여 여기서는 포화 수증기압이라고 하자.
가설 설정
- 상상 실험 3: 상상 실험 2가 완료된 상태, 즉 Fig. 2(b) 상태에서 주사기의 피스톤을 놓으면 피스톤은 대기압에 의해 1기압의 압력으로 수증기를 밀게 되는데 수증기는 0.031기압을 나타내므로 피스톤이 수증기를 밀고 들어가며 수증기의 압력이 1기압이 될 때까지 압축할 것이다. 그러면 다시 25℃, 1기압인 상태가 되는데, 이 상태에서는 액체상이 안정하다(Fig.
- 압력에 대해서는 뒤의 의문 3에서 다시 논의하기로 한다). 시간이 지나도 주사기 속의 물은 여전히 액체상으로 존재할 것이다. 물의 상평형 그림에서 1기압 25℃에서 액체상이 안정한 것과 일치한다(Fig.
- 의문 2: 온도가 25℃인 대기압 하에서 물과 수증 기가 함께 존재하는 이유는?
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