액체

액체

물질의 온도가 낮아지면 물질의 구성분자들이 자유롭게 움직이지 못하고 가까운 거리의 인력에 의해 서로 속박된 상태로 덩어리지게 된다. 그러나 적당한 내부에너지에 의해 끊임없이 자리를 맞바꿀 수 있어 그것을 담고 있는 용기에 따라 모양이 달라지게된다. 이러한 물질의 한 상태를 액체(liquid)라고 한다.

액체는 분자들이 더 가까워질 수 없을 만큼 충분히 근접해 있어서 압력이 변하더라도 그 부피가 거의 변하지 않는다. 기체의 경우 대체로 압력에 반비례하여 그 점유 부피가 변하는 것과 큰 차이가 있다. 대표적인 액체의 하나인 물은 1기압에서 10기압으로 압력이 변하더라도 그 부피는 겨우 0.05%만 줄어든다.

액체 상태에서 온도를 점차 높이면 특정한 온도를 유지하면서 기체로 변하고, 이 상변화에서의 임계점을 특히 끓는점(boiling point)이라 한다. 이는 액화가 일어나는 온도와 동일하다. 물질에 따라, 같은 물질이라도 압력에 따라 이 온도는 다르게 주어진다. 예를 들어 물의 경우 1기압에서는 100°C 이나 10기압에서는 약 197°C 이다. 또 같은 1기압에서 산소는 약 -183°C 이고, 금은 약 2807°C 이다.

아래 프로그램에서 분자끼리의 판데르발스 힘이 서로 다를 때 온도에 따라 끓는점이 달라지는 것을 보여주고 있다.

_ 판데르발스 힘_ 내부에너지_ 액체 상_ 임계점_ 온도_ 액화

액체의 형성

액체 상태에서는 분자들끼리 서로의 퍼텐셜에너지가 가장 낮은 거리까지로 몰려 있으면서 비교적 활발하게 열적인 운동을 하게 된다. 이에 따라 기체상태에 비하여 고도로 응축되어 그것이 차지하는 부피가 수천분의 1까지 줄어들게 된다. 그 예로서 100°C 1기압의 수증기 1몰은 30.6L를 차지하지만 이것이 액화하여 물로 되면 18cc로 줄어들게 되어 0.059%로 그 부피가 줄어든다.

액체 내에 있는 분자들은 자기 주변에 빈틈없이 다른 분자들이 있기 때문에 그 움직임은 기체에서처럼 완전히 자유롭지는 못하지만 그래도 운동할 수 있는 여분의 에너지가 있기 때문에 쉴 새 없이 그 자리를 바꾸면서 흘러 다니게 된다. 용기 속에서는 중력에 의해 용기의 바닥을 빈틈없이 채우게 되면서 위 표면이 수평면을 형성하게 된다. 또한 틔어 있는 곳이라면 계속해서 낮은 곳으로 흘러내릴 것이다. 그러나 무중력상태에서라면 흐르지 않고 구형으로 덩어리져서 공간에 떠 있게 된다.

아래 프로그램을 잘 살펴보자. 이 프로그램은 액체의 형성에 기여하는 대표적인 힘인 판데르발스 힘에 의한 인력으로 서로 가까운 거리로 덩어리져 있고, 각각의 분자가 받는 힘을 화살표로 보여 주고 있다. 구성 분자의 수가 적기는 하나 액체에서 일어나는 몇 가지 현상을 그런대로 잘 보여주고 있는 데 우선 각각의 분자는 활발하게 운동을 하고 있고, 또한 상대적인 위치도 바뀌고 있어 유동성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 그리고 간혹 전체 집단에서 떨어져 나와 공간을 돌아다니는 분자도 있는 것을 볼 수 있는 데 이것은 액체에서의 증발을 흉내 낸다.

_ 판데르발스 힘_ 기체 상_ 액체 상_ 온도_ 액화

증발

위 프로그램에서 각 분자가 받는 힘을 잘 관찰해 보면 내부의 분자는 주변의 분자에 의해 인력이나 척력의 크기와 방향이 제멋대로 변해서 평균적으로 보면 거의 0 이 되나 가장자리의 분자는 집단 내부로 향하는 힘을 받고 있는 것을 알 수 있다. 즉 집단에서 약간 떨어져 나간 위치로 가게 되면 언제나 내부에서 끌어당기는 힘이 생겨나서 그 집단을 잘 벗어나지 못하여 액체를 유지하게 된다.

즉, 액체를 형성하는 내부의 분자는 주변 전체를 다른 분자가 에워싸고 있어 사방으로의 힘이 서로 비기지만 가장자리의 분자는 액체 내부 쪽으로만 주변 분자가 있기 때문에 인력이 안쪽으로만 작용하여 액체를 벗어나기 힘들기 때문이다. 그러나 판데르발스 힘은 가까운 거리에만 작용하기 때문에 이 거리를 박차고 나갈 정도로 충분한 에너지를 가진 분자라면 액체의 표면에서 탈출하게 되고 이를 증발(evaporation)이라 한다.

액체내부에서 열적인 요동에 의해 충분한 에너지를 가진 분자만이 증발될 수 있기 때문에 증발이 일어나면 액체의 내부 에너지는 줄어들게 된다. 즉 평균 에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 증발하기 때문에 액체는 에너지를 약간 잃고 온도가 낮아지게 되는 것이다. 그러나 액체의 온도가 낮아지면 큰 값의 내부에너지를 가진 분자가 점차 드물어지기 때문에 외부의 열량 공급이 없다면 끊임없이 증발이 일어날 수 없고 또한 증발된 분자도 액체 부근을 지날 때에 다시 액체에 붙잡히기도 한다.

증발이 일어나면서 가져가는 에너지를 증발열(heat of evaporation)이라 하는 데 보통 1몰의 분자를 액체에서 떼어놓기 위한 몰증발열을 사용하기도 한다. 1몰의 물을 증발시키는 데 0°C에서는 45 J, 20°C 에서는 44.16 J, 50°C 에서는 42.86 J, 100°C 에서는 40.6 J 이 필요하다. 20°C 의 수은 1몰의 경우 63.2 J 이 필요한 데 이는 물질에 따라 구성 분자의 분자력에 약간의 차이가 있기 때문이다.

_ 판데르발스 힘_ 내부에너지_ 온도