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| 가스는 통상적으로 취급하는 상태, 즉 물리적인 상태에 따라서 압축가스·액화가스·용해가스의 3가지 종류로 분류되기도 하고, 가스의 성질에 따라서 가연성가스·조연성가스·불연성가스로 분류되기도 하며, 인체에 유해한 위험성 여부에 따른 독성·비독성가스로 분류되기도 합니다. |
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물리적 상태에 따른 분류 |
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가스란 기체상태의 물질을 말하는데 저장 ·취급하는 상태에 따라서 압축가스 ,액화가스, 용해가스의 3가지 종류로 구분합니다.
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압축가스 |
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압축가스는 상용의 온도에서 압력이 1MPa 이상이 되는 가스가 실제로 1MPa 이상이거나, 35℃에서의 압력이 1MPa 이상이 되는 가스로, 수소(H2), 산소(O2), 질소(N2), 메탄(CH4)과 같이 비점(끊는점)이 낮기 때문에 상온에서 압축하여 액화하기 어려운 가스를 단지 상태변화 없이 압축한 것을 말합니다. 압축가스를 판매할 목적으로 용기에 충전할 때, 이들 압축가스의 압력은 약 12MPa 이상입니다. |
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액화가스 |
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액화가스는 상용의 온도 또는 섭씨 35도의 온도에서 0.2㎫이상이 되는 가스가 실제로 그 압력이 0.2㎫ 이상이거나 0.2㎫이상이 되는 경우의 온도가 35℃이하인 가스로, 프로판(C3H8), 염소(Cl2), 암모니아(NH3), 탄산가스(CO2), 산화에틸렌(C2H4O) 등과 같이 상온에서 압축하면 비점(끊는점)이 다른 가스에 비해 높아 압력을 가하면 쉽게 액화되는 가스입니다. 액화가스는 액화시켜 용기에 충전한 것을 말하며, 용기 내에서는 액체 상태로 저장되어 있습니다. (단, 액화가스중 액화시안화수소, 액화브롬화메탄 및 액화산화에틸렌은 35℃에서의 압력이 0㎩을 초과함) |
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용해가스 |
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용해가스는 15℃에서의 압력이 0㎩을 초과하는 가스로, 아세틸렌(C2H2)을 예로 들 수 있으며, 매우 특별한 경우로서 압축하면 분해폭발하는 성질 때문에 단독으로 압축하지 못하고, 용기에 다공물질의 고체를 충전한 다음, 아세톤과 같은 용제를 주입하여 이것에 아세틸렌을 기체상태로 압축한 것을 말합니다. |
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| ※ 용기 내의 압력은 충전된 가스의 종류?온도에 따라서 다르지만, 가스의 종류나 온도가 변하지 않는 다면, 용기 내부에 충전된 액량에 관계없이 일정하게 유지됩니다. 따라서 압축가스 및 액화가스는 가스의 고유 성질에 따라서 분류한 것이 아니고 저장되어 취급되는 상태에 따라서 분류한 것입니다. |
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가스의 성질에 따른 분류 |
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가연성 가스 |
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가연성 가스란 공기(산소)와 일정량 혼합되어 있는 경우 점화원에 의해 점화되어 연소 및 폭발이 일어나는 가스입니다.
가연성 가스의 종류에는 아크릴로니트릴ㆍ아크릴알데히드ㆍ아세트알테히드ㆍ아세틸렌ㆍ암모니아ㆍ수소ㆍ황화수소ㆍ일산화탄소ㆍ이황화탄소ㆍ메탄ㆍ염화메탄ㆍ브롬화메탄ㆍ에탄ㆍ염화에탄ㆍ염화비닐ㆍ에틸렌ㆍ산화에틸렌ㆍ프로판ㆍ싸이크로프로판ㆍ프로필렌ㆍ산화프로필렌ㆍ부탄ㆍ부타디엔ㆍ부틸렌ㆍ메틸에테르ㆍ모노메틸아민ㆍ디메틸아민ㆍ트리메틸아민ㆍ에틸아민ㆍ벤젠ㆍ에틸벤젠 등이 있으며, 폭발한계(공기와 혼합된 경우 연소를 일으킬수 있는 공기중 가스농도의 한계를 말함)의 하한이 10% 이하인 것과 폭발한계의 상한과 하한의 차가 20% 이상의 것을 말합니다. 따라서 하한이 낮을수록 상한과 하한의 폭이 클수록 위험한 가스라 할 수 있습니다.
가연성 가스는 산소와 같은 조연성가스가 있어야 연소나 폭발로 이어질 수 있습니다. 따라서, 순수한 천연가스나 LP가스는 점화원이 있어도 연소나 폭발이 일어나지 않습니다. 그러나, 이러한 가연성 가스가 조연성 가스와 적당히 혼합되면 연소, 폭발이 일어날 수 있는데, 이 범위를 연소범위, 연소한계, 폭발범위라고 합니다.
이 범위(한계)는 공기와 가연성 가스의 혼합물 중의 가연성 가스의 부피(용량)%로 표시되며, 연소할 수 있는 가장 높은 농도 범위를 상한이라하며, 최저 농도를 하한이라합니다.
가연성가스의 연소범위를 보면 다음과 같습니다. |
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| 가스명 |
연소범위(용량%) |
가스명 |
폭발범위(용량%) |
| 하한 |
상한 |
하한 |
상한 |
| 프로판 |
2.1 |
9.5 |
메탄 |
5 |
15 |
| 부탄 |
1.8 |
8.4 |
일산화탄소 |
12.5 |
74 |
| 수소 |
4 |
75 |
황화수소 |
4.3 |
45 |
| 아세틸렌 |
2.5 |
81 |
시안화수소 |
6 |
41 |
| 암모니아 |
15 |
28 |
산화에틸렌 |
3.0 |
80 | | |
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우리가 주로 사용하는 천연가스와 액화석유가스의 주성분의 폭발범위를 보면, 메탄의 경우 5～15%, 프로판은 2.1～9.5%, 부탄은 1.8～8.4% 입니다. 이 경우 연소범위를 보면, 메탄의 경우 하한이 다른 가스와 비교하면 높은쪽에 속하고, 반면에 프로판과 부탄의 경우는 하한이 낮은 쪽에 속합니다.
하한이 낮을 경우 가스가 조금만 누출되어도 연소나 폭발이 쉽게 일어날 수 있으며, 하한이 높을 경우 많은 양의 가스가 누출되어야 연소나 폭발이 일어날 수 있습니다.
다시 말해, 프로판이나 부탄의 경우는 연소범위가 낮아 연소나 폭발이 자주일어날 수 있으나, 누출량이 적어 그 피해범위가 좁다는 것을 뜻하며, 메탄은 하한이 높아 프로판이나 부탄보다 연소나 폭발은 자주 일어나지 않으나, 피해범위는 크다는 것입니다. |
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조연성 가스 |
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조연성가스는 산소, 공기등 과 같이 다른 가연성물질과 혼합되었을 때 폭발이나 연소가 일어날 수 있도록 도움을 주는 가스를 말합니다. |
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불연성 가스 |
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불연성가스는 질소, 아르곤, 탄산가스 등이며, 그 특징을 보면 스스로 연소하지 못하며, 다른 물질을 연소시키는 성질도 갖지 않는 가스, 즉 연소와 무관한 가스입니다. |
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독성가스 |
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독성가스는 인체에 유해성이 있는 가스를 말하며, 법적으로 허용농도가 100만분의 200(200ppm) 이하인 가스입니다. 예로는 아크릴로니트릴ㆍ아크릴알데히드ㆍ아황산가스ㆍ암모니아ㆍ일산화탄소ㆍ이황화탄소ㆍ불소ㆍ염소ㆍ브롬화메탄ㆍ염화메탄ㆍ염화프렌ㆍ산화에틸렌ㆍ시안화수소ㆍ황화수소ㆍ모노메틸아민ㆍ디메틸아민ㆍ트리메틸아민ㆍ벤젠ㆍ포스겐 등이 있습니다. |
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| ※ 허용농도 : 건강한 성인 남자가 그 분위기에서 하루 8시간 작업을 하여도 건강상 지장이 없는 독성가스의 농도를 말하며, 쓰이는 단위로는 ppm(백만분의 일)이 사용됨 |
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온도ㆍ압력ㆍ비중ㆍ증기압 |
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온도 |
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일반적으로 사용되는 압력에는 섭씨온도(℃)와 화씨온도(。F)가 사용됩니다.
섭씨온도의 경우는 물의 끊는 점과 어는 점을 100등분하여 끊는 점을 100℃, 어는 점을 0℃로 정해 사용하는 온도이고, 화씨온도의 경우는 물의 끊는 점과 어는 점을 180등분하여 끊는 점을 212。F 어는점을 32。F로 정해 사용하는 온도입니다.
섭씨온도와 화씨온도의 환산값을 보면 다음과 같습니다. |
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압력 |
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 압력의 정의 : 용기나 관 등의 벽에 수직으로 작용하고 있는 힘. |
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압력의 단위 및 종류
각 분야 및 나라마다 여러 가지가 사용되고 있으며, 현재 사용되고 있는 압력의 단위는 다음과 같다. |
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| 기압 |
kg/cm2 |
수은주(mmHg) |
수주(mH2O) |
| 1 |
1.0332 |
760 |
10.332 |
| 0.968 |
1 |
735.7 |
10.00 | | |
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※ 1MPa = 106Pa = 10kg/cm2 |
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지구 중심에서 끌어 다니는 힘, 즉 중력에 의해 공기분자들이 모여 지구주위에는 대기압(공기가 가지는 압력)이 형성되어 있으며, 이러한 대기압이 기준이 되는 압력을 기압이라하며 단위는 atm이 사용되고 있습니다.
이러한 대기압을 이용해 처음으로 사용한 압력이 수은주이며, 같은원리를 이용해 수주를 측정하였습니다. |
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그림에서 보는바와 같이 공기가 누르는 힘(1atm)에 의해 수은이 올라간 높이를 수은주로 표기합니다. 위의 실험을 토리첼리(torricelli)의 실험이라 하며, 이실험을 통해 공기가 누르는 1atm의 힘을 수은이 올라간 높이로 환산할 수 있습니다.
압력은 밀도×높이로 표시될 수 있으며, 수은이 올라간 높이에 수은의 밀도를 곱하거나, 물이 올라간 높이에 물의 밀도를 곱하면 의 압력을 얻을 수 있다. 환산값은 1.0332입니다.
일반적으로 사용되는 압력을 보면 공기중에서의 압력을 “0”으로 놓고 압력을 측정합니다. 예를 들어, 그림과 같이 배관이 공기중에 관통된 경우 압력계를 보면 0의 압력을 표시합니다.
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이렇게 공기의 압력을 “0”으로 하고 측정하는 압력을 게이지압력이라하며, 공기의 압력을 “1.0332로 놓고 측정하는 압력을 절대압력이라고 합니다. 결론적으로 게이지압력은 대기압이 빠진 압력이므로, 게이지압력에 대기압을 더한 압력이 전체적인 압력인 절대압력이 됩니다.
※ 대기압 + 게이지압력 = 절대압력
현재, 각 실무분야에 쓰이는 압력은 대부분이 게이지압력을 쓰며, 가스분야도 마찬가지입니다. 한편, 절대압력은 학문분야에 주료 사용됩니다. |
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비중 |
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가스비중 |
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가스비중의 기준이 되는 물질은 공기이며, 가스의 무게와 공기의 무게를 비교한 값이 비중이 됩니다. 정의를 보면, 기체의 질량과 그 기체와 같은 조건?체적의 공기질량과의 무게비를 뜻하며, 일반적으로 표준상태(0℃, 1atm)의 기체와 표준상태의 공기를 비교합니다. 이때 공기의 기준부피(22.4ℓ, 1 mol)의 질량은 29g으로 합니다.
비중을 구하는 수식은 아래과 같으며, 예를 들어 메탄()의 비중을 구해보면, 약 0.55임을 알 수 있습니다. (여기서 메탄의 무게는 16g임) |
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위와같이 비중을 구할 수 있으며, 메탄의 비중 0.55가 뜻하는 것은 공기와 무게를 비교했을 때 공기의 0.55배 즉, 공기보다 가볍다는 뜻입니다. |
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액비중 |
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액체의 비중을 액비중이라 부르며, 기준이 되는 물질은 4℃의 물입니다. 4℃의 물 1는 질량이 1g이기 때문에 밀도의 단위는 Pa, 나 로 할 경우 밀도의 값과 비중의 값이 같게 됩니다. |
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증기압 |
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투명한 내압용기를 진공으로 하여 액상의 액화석유가스를 넣어 일정온도에서 밀폐시키면 액체의 일부는 기화되고, 어느정도의 압력에 이르면 더 이상 기화가 일어나지 않게 됩니다. 이 때의 액상태를 유지하고 있는 압력을 증기압 또는 포화 증기압이라고 하며, 동일성분?동일온도라면 용기에 들어있는 액체의 양과 관계없이 압력은 일정하게 유지됩니다. |
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증기압의 원리 |
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| 증기압은 액체의 종류와 온도에 따라 다르며, 같은 물질일 경우 온도가 일정하다면 용기에 들어있는 액체의 양과 관계없이 압력은 일정하게 된다. | |
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뚜껑이 없는 용기에 액상의 액화석유가스를 넣으면 액상의 증기압은 증발하기 시작하게 되어, 분자가 대기중으로 날아가 버리고 액상의 액화석유가스는 용기에 남아았지 않게 됩니다. 그러나 뚜껑이 있는 용기에 액상의 액화석유가스를 넣고 온도를 일정하게 유지하면 액체상태의 액화석유가스가 일부 증발하여 기체가 되어 용기내의 공간을 채우고, 일정한 압력을 갖게 됩니다. 용기내의 액화석유가스압력은 결국 이 가스가 갖는 압력이며, 이 압력이 상부로부터 액면을 눌러 액체상태의 액화석유가스는 더 이상 증발하지 못하고 그대로 액체상태를 유지하게 됩니다. |
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용기밸브를 열어 용기내 상부공간을 채우고 있는 가스의 일부를 사용하면, 그 공간부분의 가스량이 감소하기 때문에 압력이 낮아진다. 그 결과 액면에 가해지는 압력도 감소되어 액체상태의 액화석유가스는 다시 증발하여 가스를 발생하게 된다. 용기밸브를 닫으며 가스가 증가하여 압력이 상승하고 결국 증발이 정지되어 일정한 압력을 유지하게 된다. |
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프로판, 부탄의 온도에 따른 증기압 (게이지압력) |
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| 온도(℃) |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
증기압
kg/cm2 |
프로판 |
3.9 |
5.4 |
7.4 |
9.5 |
12.7 |
| 부탄 |
0 |
0.4 |
1.1 |
1.8 |
2.8 | | | |
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