더우면 땀이 나는 이유 - 증발과 응결

[겨울의 꿈]

그릇에 담긴 물은 시간이 지나면 그 양이 줄어든다. 표면의 물이 증발하기 때문이다. 물 분자는 끓는 점 이하의 온도에서도 증발을 통해서 기화될 수 있다. 증발되는 물의 일부는 다시 응결되어 액체로 돌아오기도 한다. 증발과 응결은 어떻게 일어나며, 증발과 비등은 어떻게 다를까?

증발은 액체표면에서 일어나는 기화현상

증발(evaporation)은 끓는점 이하의 온도에서 일어나는 기화현상이다. 증발은 액체 표면에 있는 분자들 중에서 높은 에너지를 가진 분자가 분자들 사이의 인력을 이겨내고 튀어나와서 기화되는 것이다. 이에 반해 비등(boiling)은 외부에서 공급된 열을 받아 액체의 내부에서 일어나는 기화현상이다. 비등은 압력에 따라 정해지는 특정한 끓는점(비등점)에서만 일어난다. 하지만 증발은 비등점이하의 어떤 온도에서도 일어날 수 있다.

염전에서는 증발을 이용해 소금을 얻는다. <출처: (cc) rude at Wikipedia.org>

바다에서 증발된 수증기 때문에 구름 사이로 비친 햇빛이 산란되어 보인다. <출처: (cc) resk at Wikipedia.org>

증발은 어떻게 일어날까? 액체 상태의 분자들은 액체 내에서 각기 다른 속도로 무질서하게 돌아다닌다. 액체 분자들은 돌아다니면서 다른 분자들과 충돌하여 운동에너지를 얻기도 하고 잃기도 한다. 이것은 마치 수많은 당구공들이 서로 충돌하여 운동에너지를 얻거나 잃는 것과 유사하다. 액체의 온도는 액체 분자들의 평균운동에너지를 나타낸다. 액체 표면의 분자들은 밑에서 치받는 다른 분자들로부터 충분한 운동에너지를 얻으면 액체 표면을 떠나 기체가 되어 자유로이 날아갈 수 있다. 이러한 현상이 증발이다.

응결은 증발의 역현상

여름철에 냉장고 안에 있던 차가운 음료수를 밖에 꺼내 놓으면 잠시 후 병 바깥쪽에 작은 물방울이 생기는 것을 볼 수 있다. 이것은 공기 중의 수증기가 액화되어 차가운 병 바깥쪽에 달라붙은 것이다. 이러한 현상을 응결(응축, condensation)이라 부른다. 다시 말해 응결은 상온에서 기체가 액체로 변하는 현상으로 증발의 역현상이다. 응결은 어떻게 일어날까? 공기 중에는 항상 수증기(물) 분자들이 존재한다. 빠르게 움직이던 공기 중의 수증기(물) 분자들이 상대적으로 느린 병 표면의 분자들과 충돌하게 되면 운동에너지를 잃는다. 이 때 수증기 분자들 중 많은 운동에너지를 잃어버려서 더 이상 기체 상태로는 존재할 수 없게 된 수증기 분자가 응결하는 것이다.

물 분자들은 서로 끌려서 서로 달라붙으려는 경향이 있다. 하지만 공기 중에서는 평균속력이 빠르기 때문에 물 분자들이 서로 충돌하여 달라붙기는 어렵다. 하지만 느리게 움직이는 물 분자들은 서로 달라붙어 응결될 수 있다. 응결은 공기가 냉각되고 수증기 분자의 속도가 감소할 때 잘 발생한다. 기체 분자들이 액체 분자에 의해 붙잡힐 때에도 응결이 일어난다. 아무렇게나 운동하던 기체 분자들이 액체 표면과 충돌하면서 운동 에너지를 잃을 수 있다. 이 때 액체 분자들은 기체 분자들에 인력을 미쳐서 액체 속에 붙잡게 된다.

수증기가 공기 중에서 차가운 물병의 표면과 접촉하면 액체로 응축된다. <출처: (cc) acdx at Wikipedia.org>

비행기 날개에서 일어나는 응결. 높은 고도에서는 기온과 기압이 낮아서 수증기의 응결이 쉽게 일어난다. <출처: (cc) Mgw89 at Wikipedia.org>

증기압이 클수록 증발속도가 크다

액체의 표면에서는 끊임없이 분자들이 기체 상태로 증발한다. 하지만 밀폐된 용기 속에서는 처음에는 증발이 활발히 일어나지만, 어느 정도 시간이 지나면 더 이상 증발이 일어나지 않는다. 액체의 양도 더 이상 줄어들지 않는다. 일부의 분자들은 증발로 액체를 이탈하지만 또 다른 일부의 기체 분자들이 응결되어 액체로 돌아오기 때문이다. 다시 말해 증발과 응결이 같은 속도로 일어나고 있는 것이다. 이러한 상태를 동적 평형 상태라 하고, 이때의 기체 압력을 증기압(포화증기압)이라 한다.

증기압은 액체의 증발속도와 관련이 있다. 증기압이 큰 물질일수록 잘 증발된다. 실온에서 증기압이 매우 큰 액체를 휘발성 물질이라 한다. 증기압은 같은 물질이라도 온도가 높아지면 더 커진다. 더운 날 물이 더 빨리 증발하는 이유는 이 때문이다. 뚜껑이 없는 용기에 담긴 액체는 일반적으로 동적평형상태에 이르지 못한다. 이 경우 용기안의 액체가 모두 없어질 때까지 증발이 계속될 수 있다. 포화증기압에 이르지 못하기 때문이다.

물의 증기압 그래프. <출처: (cc) Ytrottier at Wikipedia.org>

증발은 액체가 식어가는 과정

증발은 액체 분자들 중에서 가장 높은 에너지를 갖는 액체분자들이 기화되는 것이다. 따라서 증발이 일어나면 액체 전체의 평균운동에너지는 줄어들고 액체는 냉각된다.  물이 식는 과정에도 증발이 관여한다. 뜨거운 물 표면에서 일어나는 증발로 인해 물은 많은 열을 잃어버리고 온도가 내려간다. 증발은 저온에서도 일어나지만 고온에서 더 활발하다. 고온의 액체에 표면으로부터 탈출할 만큼 큰 운동에너지를 가진 물 분자들이 더 많기 때문이다. 증발은 액체의 표면적이 클수록 더 잘 일어난다. 넓은 그릇에 닮은 물이 빨리 식는 이유는 이 때문이다. 증발은 액체 표면 바로 위쪽의 포화된 공기를 제거하면 더 잘 일어난다. 비 오는 날 세탁물이 잘 마르지 않는 것은 포화증기가 세탁물을 둘러싸고 있기 때문이다. 하지만 이런 날에도 바람이 불면 조금 더 잘 마른다. 바람이 포화증기를 흩어버리기 때문이다.

뜨거운 커피를 불어주면 증발이 잘 되어 빨리 식는다. <출처: Gettyimage>

사람은 땀을 증발시켜 체온을 조절한다. <출처: Gettyimage>

증발은 체온조절에 이용된다

증발이 일어나면 주변이 시원해진다. 증발 과정에서 열의 흡수가 일어나기 때문이다. 이 때 숨은열을 증발열이라 한다. 피부에 알코올을 바르거나 더운 여름에 마당에 물을 뿌리면 시원함을 느끼는 것은 물이 증발할 때 피부나 공기로부터 증발열을 빼앗아가기 때문이다. 여름철에 부채질을 하면 시원한 이유나 겨울철에 바람이 불면 더 추운 이유도 마찬가지다. 바람에 의해 피부 표면에 있던 수분이 증발하면서 증발열을 뺏어가기 때문이다.

땀은 몸을 식히는 가장 뛰어난 수단이다. 땀의 성분은 대부분 물이며 증발할 때 피부에서 많은 증발열을 빼앗아간다. 인간은 모든 동물들 중에서 땀샘의 밀도가 가장 높다. 따라서 인간은 몸의 열을 식히는데 있어서 모든 동물 중에서 가장 뛰어나다고 할 수 있다. 운동경기에서 땀을 흘린 선수가 잠시 벤치에 앉아 있을 때 옷을 껴입는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 증발에 의해 몸이 차가와지는 것을 방지하기 위한 것이다. 덥고 습한 날일수록 불쾌한 이유도 증발과 관련이 있다. 습한 날에는 공기 중에 수증기가 많아서 땀의 증발이 더디게 일어나 피부가 식기 어렵기 때문이다.

바다 위에는 안개가 하늘에는 구름이 보인다. 모두 대기 중 수증기의 응결 현상이다. <출처: Gettyimage>

안개와 구름 - 대표적 응결 현상

대표적인 현상이 안개와 구름이다. 이들은 모두 대기 중의 수증기가 응결되어 생기는 현상이며 차이는 발생하는 장소이다. 구름은 수증기의 응결이 높은 고도에서 일어나는 것이고, 안개는 지상 가까이에서 일어나는 것이다. 응결이 일어나면 응결열이 방출된다. 분자들이 응결할 때 잃은 운동에너지는 이들이 충돌한 표면의 온도를 높일 수 있다. 뜨거운 수증기에 의해 입은 화상은 같은 온도의 물에 의해 입은 화상보다 더 심각할 수 있다. 수증기가 살갗을 적시면서 응결할 때 많은 열을 방출하기 때문이다.

글 김충섭 / 수원대학교 물리학과 교수

서울대학교 물리학과를 졸업하고 동 대학에서 박사학위를 받았다. 현재 수원대학교 물리학과 교수이다. 저서로 [동영상으로 보는 우주의 발견] [메톤이 들려주는 달력 이야기] [캘빈이 들려주는 온도 이야기] 등이 있다.

출처:네이버캐스트