운동론
증발 과정은 운동론을 이용하여 설명할 수 있습니다. 기체 분자처럼 물 분자도 움직입니다. 차이점은 물 분자는 서로 끌어당기는 인력 때문에 분리될 수 없다는 것입니다. 반면에 기체 분자 사이의 인력은 매우 약해서 기체 분자는 서로 달라붙지 못합니다. 움직일 때 물 분자는 속도를 가지고 있습니다. 어떤 물 분자는 속도가 빠르고, 어떤 물 분자는 속도가 느립니다. 물 분자의 속도 분포는 맥스웰 분포와 유사합니다.
증발은 물 분자의 속도가 충분히 빨라져서 분자 사이의 인력이 더 이상 분자를 결합시킬 수 없을 때 발생합니다. 마치 로켓이 우주로 발사될 때, 로켓의 속도가 충분히 빨라지면 지구의 중력이 로켓을 지구에 붙잡아 둘 수 없게 되는 것과 유사합니다. 여기서 중요한 것은 속도가 매우 빠른 분자만이 분자 사이의 인력에서 벗어날 수 있다는 점입니다. 속도가 느린 분자는 여전히 결합하여 물을 형성합니다.
물 분자는 질량과 속도를 가지고 있으므로 운동 에너지(EK = 1/2 mv²)를 갖습니다 . 속도가 빠른 물 분자는 속도가 느린 물 분자보다 운동 에너지가 더 큽니다. 따라서 분자 간 인력을 벗어날 수 있는 물 분자(수증기로 변하는 물 분자)는 상당히 큰 운동 에너지를 가지고 있다고 할 수 있습니다. 일반적으로 물 분자의 운동 에너지는 물의 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 물의 온도가 충분히 높으면 물 분자의 운동 에너지가 증가하므로 더 많은 물이 수증기로 변합니다. 이는 증발 속도가 일반적으로 고온에서 더 빠르다는 연구 결과와 일치합니다.
젖은 옷을 햇볕에 말릴 때, 옷은 태양열을 흡수합니다. 태양열로 인해 옷 속 물 분자의 운동 에너지가 증가합니다. 운동 에너지가 증가하면 물 분자는 더 빠르게 움직입니다. 속도 또는 운동 에너지가 일정 값에 도달하면 물 분자는 분자 간 인력에서 벗어나 수증기로 변합니다. 젖은 옷이 마르는 데에는 태양열뿐만 아니라 주변의 따뜻한 공기로부터 전달되는 열도 영향을 미친다는 점을 알아두는 것이 중요합니다.
더운 날에는 땅이나 바닥이 더 빨리 데워집니다. 땅의 비열이 매우 크기 때문에 빨리 데워지는 것입니다. 땅은 그 위의 공기를 데웁니다(이 경우 열 전달은 전도에 의해 일어납니다). 뜨거워진 공기는 팽창(밀도 감소)하여 위로 올라갑니다. 젖은 옷 위를 지나갈 때, 공기 분자는 옷 속의 물 분자와 충돌합니다. 물 분자는 더 빠르게 움직입니다. 더 빠르게 움직이기 때문에 물 분자의 운동 에너지가 증가합니다. 빠르게 움직이는 물 분자는 다른 물 분자와 충돌합니다. 공기 분자와 지속적으로 충돌하기 때문에 물 분자는 더 빠르게 움직입니다(운동 에너지 증가).
물 분자는 속도 또는 운동 에너지가 특정 값에 도달하면 분자 간 인력을 벗어나 수증기로 변할 수 있습니다. 물 분자나 공기 분자의 운동 에너지는 온도와 밀접한 관련이 있습니다. 물 분자의 운동 에너지가 크면 물의 온도도 높습니다. 반대로 물의 온도가 높으면 물 분자의 운동 에너지도 커집니다. 운동 에너지는 속도와도 관련이 있습니다. 분자의 운동 에너지가 클수록 분자의 속도도 빨라집니다. 반대로 분자의 속도가 빠를수록 분자의 운동 에너지도 커집니다.
뜨거운 물은 어떨까요? 뜨거운 물은 온도가 높습니다. 물의 온도가 높기 때문에 물 분자들은 큰 평균 운동 에너지를 갖습니다. 물 분자의 평균 운동 에너지가 크다는 것은 많은 물 분자들이 빠른 속도로 움직인다는 것을 의미합니다. 빠른 속도로 움직이는 물 분자는 분자 간 인력에서 벗어나 수증기로 변할 수 있습니다. 빠른 속도로 움직이는 물 분자(운동 에너지가 큰 물 분자)만 수증기로 변하고, 느린 속도로 움직이는 물 분자(운동 에너지가 작은 물 분자)는 수증기로 변하지 않습니다. 따라서 빠른 속도로 움직이는 물 분자가 수증기로 변하면, 나머지 물 분자들의 평균 운동 에너지는 작아집니다. 평균 운동 에너지가 작아질수록 물의 온도는 낮아집니다(물이 차가워집니다). 이러한 간단한 설명을 바탕으로 증발은 냉각 과정이라고 할 수 있습니다.
증발로 인한 냉각 과정은 일상생활에서 흔히 볼 수 있습니다. 공기가 매우 뜨거울 때, 우리 몸은 많은 열을 흡수합니다. 체온을 일정하게 유지하기 위해 우리 몸은 일반적으로 땀을 통해 열을 방출합니다. 땀은 햇빛과 주변 공기로부터 추가적인 열을 흡수하기 때문에 땀 분자의 운동 에너지가 증가합니다. 땀 분자의 운동 에너지가 증가하면 땀 분자의 속도가 빨라집니다. 땀 분자는 수증기로 변합니다. 땀이 증발할 때 몸이 시원해지는 것입니다. 또 다른 예를 들어보겠습니다. 보통 샤워 후에는 몸이 시원해집니다. 이는 피부 표면에 붙어 있던 물이 증발하기 때문입니다.
위에서 설명한 증발 과정은 매일 일어납니다. 바닷물, 호수물, 강물도 증발할 수 있습니다.
증기압
여기서 말하는 '증기'는 수증기를 의미합니다. 그림을 보세요. 물이 가득 찬 밀폐된 용기가 있습니다(용기 안의 공기는 제거되었다고 가정합니다). 운동론에 따르면 물 분자는 항상 움직입니다. 움직일 때 물 분자는 속도와 운동 에너지를 갖습니다. 충분한 속도와 운동 에너지를 가진 물 분자는 물 분자 사이의 인력을 벗어나 수증기로 변할 수 있습니다. 옆 용기에 있는 물 분자들도 같은 과정을 거칩니다. 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 물 분자가 수증기로 변합니다. 용기가 밀폐되어 있기 때문에 수증기로 변한 물 분자는 대기 중으로 빠져나갈 수 없습니다(분자들은 용기 안에 갇혀 있습니다). 수증기로 변한 물 분자의 수가 충분히 많아지면 분자들이 용기 벽과 충돌할 가능성이 생깁니다.
용기 벽에 부딪히는 일부 분자는 다시 물 표면으로 반사되어 결합하여 물을 형성합니다. 이 과정은 끊임없이 반복됩니다. 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 물 분자가 수증기로 변합니다(액체에서 기체로). 동시에 용기 벽에 부딪히는 일부 분자는 다시 물로 변합니다(수증기에서 액체로). 액체에서 수증기로 변하는 분자의 수와 수증기에서 액체로 변하는 분자의 수가 같아지면 평형 상태가 됩니다. 평형 상태가 되면 수증기가 담긴 용기 윗부분은 포화 상태라고 합니다. 포화 영역의 수증기압을 포화 증기압이라고 합니다.
액체가 기체로 변하는 것을 증발이라고 하고, 기체가 액체로 변하는 것을 응축이라고 합니다. 포화 증기압은 부피가 아니라 온도에만 의존한다는 점에 유의하십시오. 물의 온도가 증가하면 물 분자의 운동 에너지가 증가합니다.
물 분자의 운동 에너지가 증가하므로 물 분자의 속도도 증가해야 합니다. 이렇게 속도가 빨라진 분자들이 점점 더 많이 수증기(액체에서 기체로 상태 변화)로 변하게 됩니다. 용기의 부피는 고정되어 있으므로 수증기압은 분자 수(N)와 속도(v)에만 의존합니다.
수증기로 변환되는 분자의 수가 많을수록(N 값이 클수록) 그리고 이 분자들의 속도가 빠를수록(v 값이 클수록) 증기압은 증가합니다. 따라서 평형은 더 높은 증기압에서 발생합니다. 결과적으로 포화 증기압 또한 증가합니다. 포화 증기압은 평형 상태에 도달했을 때만 존재합니다. 아래는 온도에 따른 물의 포화 증기압 변화를 나타낸 그래프입니다.
증기압은 부피에 비례하지만, 포화 증기압은 그렇지 않습니다. 용기의 부피가 증가하거나 감소하더라도 결국 평형 상태에 도달합니다. 위의 그림은 대기에서 발생하는 포화 증기압을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것입니다. 이전 그림에서는 물이 없는 용기 부분에는 공기가 없다고 가정했습니다. 따라서 물이 없는 부분은 수증기로만 채워져 있었습니다. 하지만 지구 표면은 항상 공기로 덮여 있습니다. 수증기 분자와 다른 기체 분자 사이의 충돌은 평형 상태에 도달하는 데 걸리는 시간을 연장시킬 뿐입니다. 그러나 결국 수증기로 변하는 물 분자의 수와 수증기로 변하는 물 분자의 수가 같아지면 평형 상태에 도달하게 됩니다.
