아낌없이 주는 나무

1. 증기압, 증발, 비등

▣ 증기압 : 기체가 갖을 수 있는 액체에 대한 최적분율 또는 질량분율을 말한다.

▣ 액체가 기체로 변화하는 현상에는 증발과 비등이 있다.

위 그림의 왼쪽을 보면 물은 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체의 형상을 보임을 알 수 있

다. 그림에서 1기압 상태에서 0[℃]까지는 물음 얼음(고체), 0 ~ 100 [℃]에서는 액체, 그

리고 100 [℃]를 넘은면 기체 상태에 있는 것을 알 수 있다.

증기압은 액체와 기체가 열적인 평형상태를 이루는 것을 말한다. 열적인 평형이란 위 그림

의 오른쪽 그림에서 나타내는데 예를 들어 액체인 물이 기체가 되기 위해서는 일정한 에너

지를 필요로 한다. 위 그림에서 100 [℃] 에서는 공기중에 100[kPa] 만큼의 수증기가 존

재할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 때 온도를 50 [℃]로 낮추면 공기중에 20[kPa] 압력 만큼

의 수증기만 있을 수 있어 나머지 수증기는 물방울로 맺히게 된다. 위에서 증기압은 포화증

기압이라고 가정했을 때의 예이다.

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가. 증발(Evaporation)과 비등 (Boiling)

증기압에 대하여 이야기할 때 증발과 비등을 구분해야 한다. 액체가 기체가 되는 것은 증발

이나 비등이나 같다. 그러나 실제 물리적인 메카니즘은 다르다. 위 그림에서 보듯이 증발은

유체가 공기와 만나는 면에서 발생한다. 그러나 비등은 공기와 만나는 면 뿐만 아니라 유체

내부에서도 발생한다. ※ 위 그림에서 정수압은 물에 의한 수압을 말한다.

비등은 유체의 체적작용으로 유체 온도에 해당하는 포화증기압이 유체 압력과 같아져서 유

체 내부에서도 기포가 발생하게 된다.

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나. 낮은 온도에서 비등과 공동화 현상 (Low Pressure Boiling - Cavitation)

앞에서 온도를 낮추면 기체의 포화증기압이 낮아진다고 했다. 이번에는 압력을 낮추면 끓는

점이 낮아지게 된다. 즉, 낮은 온도에서도 비등(보일링)현상이 발생하게 된다. 대표적인 현

상이 공동화 현상 (Cavitation)을 들 수 있다. 예를 들면 관에서 프로펠러가 돌면 프로펠러

주변의 유속이 매우 빨라지게 된다. 이 때 베르누이 법칙에 의해 유속의 제곱에 비례하여

압력이 변하게 된다. 유속이 빨라지면 속도의 제곱에 비례하여 압력이 낮아진다. 압력이 떨

어지면 온도가 100[℃] 보다 낮음에도 유체 속에서 기포가 발생하는 공동화 현상 (Cavitaion) 현상이

발생하게 된다. 이 공동현상은 기기류에 매우 치명적이다. 속도가 높아지면서 발생한 기포는

다시 속도가 낮아지면 압력이 높아져서 기포가 존재할 수 없는 상황이 되게 되는데

이 때 기포는 뽀개지고 기포가 분열하게 되는데 기포가 뽀개지면서 매우 큰 충격에너지가 발생하게 된다.

위 그림의 오른쪽을 보면 유체에 Cavitation이 발생하여 그 충격으로 인해 강철로 만든 프로펠러(회전날개)가

파괴된 모습을 볼 수 있다. 이와 같이 기포는 기기에 매우 큰 충격을 주게 된다.

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2. 비열(Specific Heat)과 에너지 (Energy)

어느 평면에 수직으로 작용하는 힘을 면적으로 나눈 것을 압력이라고 하고 접선 방향으로

작용하는 힘 즉, 전단력을 면적으로 나눈 것을 전단응력이라고 한다.

위 그림에서 어떤 물체를 꺾었을 때 위 부분은 늘어났고 아래 부분은 수축하였다. 늘어난 부

분은 전단응력이 작용하여 Normal Stress가 발생했고 아래 부분은 수직압력이 작용했다

고 볼 수 있다.

위 그림 왼쪽은 실린더에 피스톤이 있는데 이 때는 평형상태에 있었다. 그런데 피스톤에

500[kg]을 올려 놓았다면 이 때의 압력은 500[kg] / 피스톤 단면적 이라고 할 수 있다.

오른쪽 그림은 4각형 모양의 물체에 수직방향도 아니고 접선방향도 아닌 방향으로 힘이

작용한 경우를 보여주고 있다. 위의 힘은 수직방향과 접선방향의 힘으로 구분할 수가 있는

데 이 힘을 면적으로 나누면 압력과 전단응력이 된다.

위 그림은 하천에 세워진 교각에 물의 흐름에 의한 영향을 보여주고 있다.

교각에는 물의 흐름에 의해 수직방향의 압력과 접선방향의 마찰력 즉, 전단응력이 함께

작용하게 된다.

압력은 어떤 면 A에 수직으로 작용하는 힘 F가 있다면 힘을 면적으로 나눈 것이다.

즉, 압력 P = F / A 이다.

절대압력은 압력이 "0"[Pa]에서 측정한 압력을 말하고

상대압력은 표준대기압 즉, 101,300 [Pa]에서 측정한 압력을 말한다.

따라서 상대압력이 절대압력보다 101,300 [Pa] 만큼 작게 된다.

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#증기압 #증발 #비등 #수증기 #압력 #온도 #공동현상 #Cavitation #비열 #잠열

#기화열 #에너지 #힘 #전단응력 #표준대기압 #절대압력 #상대압력

3. 연소와 관련되는 용어

가. #발화점 (Ignition point) = #착화점 = 착화온도

  ▣ 점화원을 가하지 않아도 스스로 착화될 수 있는 최저 온도 발화점이 낮을 수록 위험하다.

   ① 가연성 물질에 불꽃을 접하지 아니하였을 때 연소가 가능한 최저온도

   ② 공기중에서 스스로 타기 시작하는 온도

   ③ 점화원이 없이 가연물에 가열된 열에 의하여 스스로 연소가 시작되는 최저온도

    ※ 고체물질 중 발화온도가 가장 높은 물질 : 인견

    ※ 발화점, 인화점, 폭발범위는 아무런 연관성이 없다.

    ※ 식용류는 발화점이 450[℃] 정도된다. 후라이팬에 달구어 놓고 식용류를 뿌리면 불이 붙는다.

        발화점은 가연물이 스스로 불이 붙는 온도를 말한다.

    ※ 황린은 제3류 위험물이다. 발화점이 34[℃]이다. 일반적인 위험물 중에서 발화점이 가장 낮은 물질이다.

        황린은 고체이다. 일반적으로 기온은 공기의 온도인데 고체는 햇볕을 받으면 쉽게 기온이 상승한다.

        기온이 낮더라도 발화점에 도달할 수 있다.

    ※ 발화점에 영향을 주는 인자

      ㉠ 가연성 가스와 공기의 혼합비         ㉡ 공간의 형태와 크기

      ㉢ 가열속도와 지속시간                      ㉣ 기벽의 구조와 촉매효과

      ㉤ 점화원의 종류와 에너지 수열 방법

    ※ 발화점이 낮아질 수 있는 조건

      ㉠ 산소와의 친화력이 클수록             ㉡ 압력이 높을 수록

      ㉢ 탄소수가 많을 수록 (인화점과 발화점은 반대방향으로 움직인다. )

    ⊙ 탄소수가 많으면

     ◈ 발화점이 낮다.     ◈ 발열량이 크다.         ◈ 분자구조가 복잡하다.

     ◈ 증기압이 낮다.     ◈ 분자량이 크다.

     ※ 발화점 가솔린 300℃, 등유 220℃ 경유 200℃

나. #인화점 (Flash point)

  ▣ 가연성 기체와 공기가 혼합된 상태에서 외부의 직접적인 점화원에 의해 불이 붙을 수 있는 최저 온도, 인화점이

       낮을 수록 위험성이 크다. 그러므로 인화점 아래에서는 불씨, 불꽃 등을 가하여도 연소현상이 진행되지 않은다.

   ① 휘발성 물질에 불꽃을 접하여 연소가 가능한 최저 온도

   ② 가연성 증기 발생시 연소범위의 하한계에 이르는 최저온도

   ③ 가연성 증기를 발생하는 액체가 공기와 혼합하여 기상부에 다른 불꽃이 닿았을 때 연소가 일어나는 최저 온도

   ④ 액체 가연물의 화재 위험성 기준의 척도

   ⑤ 가연성 액체의 발화와 깊은 관계가 있다.

   ⑥ 연료의 조성, 점도, 비중에 따라 달라진다.

     ◈ 점화원에 의해 불이 붙을 수 있는 최저 온도

        ⊙ 탄소수가 적은 물질 < 탄소수가 많은 물질

          ∴ 탄소수가 적을 수록 인화의 위험이 크다.

        ⊙ 인화점은 최저온도 이므로 보통의 경우 인화점에서는 인화되지 않는다.

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      ※ 가솔린 인화점 : -43[℃] ~ -20[℃], 연소범위 1.4 ~ 9.6 [%]

             등유 인화점 : 50 ~ 60 [℃]

                         벤젠 : - 11 [℃]

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※ 물질의 인화점 및 착화점

다. #연소점 (Fire point)

  ▣ 연소상태를 5초 이상 유지하기 위한 최저 온도로 인화점보다 10[℃] 정도 높다.

   ① 인화점 보다 5 ~ 10 [℃] 높으며 연소를 5초 이상 지속할 수 있는 온도

   ② 어떤 인화성 액체가 공기 중에서 열을 받아 점화원의 존재하에 지속적인 연소를 일으킬 수 있는 온도

   ③ 가연성 액체에 점화원을 가져 가서 인화된 후 점화원을 제거하여도 가연물에 계속 연소 연소되는 최저 온도

【 연소범위(연소한계 】 = 폭발범위 (폭발한계)

  ▣ 1기압, 25[℃] 공기중에서 측정

  ▣ 연소가 가능한 폭발성 혼합가스 (가연성 기체 + 공기) 중 가연성 기체의 체적 %

  ▣ 하한값이 낮을 수록, 범위가 넓을 수록 위험하다.

  ▣ 주변의 변화에 따라 연소범위는 변화한다.

<연소범위의 변화>

   ㉠ 온도가 높아지면 넓어진다.

   ㉡ 압력이 높아지면 넓어진다. (수소와 일산화탄소는 좁아진다)

   ㉢ 공기중의 산소의 농도가 높아지면 넓어진다.

   ㉣ 불활성기체를 투입하면 연소범위는 좁아진다.

         ※지구상에서 가장 위험도가 큰 물질

라. 비중 (Specific gravity)

   ▣ 물 4 [℃]를 기준으로 했을 때의 물체의 무게 (고체, 액체)

        ※ 기체 : 표준상태 0 [℃], 1기압 공기의 비중 1

                      프로판, 부탄 > 1, 메탄 < 1

마. 비점 (Boiling point)

   ▣ 액체가 끓으면서 증발이 일어날 때의 온도

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바. 비열 (Specific heat)

   ① 1 [cal] : 1 [g]의 물을 1 [℃] 만큼 온도를 상승시키는데 필요한 열량

   ② 1 [BTU] : 1 [lb]의 물을 1 [°F] 만큼 온도 상승시키는데 필요한 열량

   ③ 1 [chu] : 1 [lb]의 물을 1 [℃] 만큼 온도 상승시키는데 필요한 열량

        ※ 1 파운드 [lb] = 0.452592 [kg]

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사. 융점 (Melting point)

   ▣ 대기압 하에서 고체가 용융하여 액체가 되는 온도

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아. 잠열 (Latent heat) ※ latent [ leɪtnt ] 잠재하는, 잠복해 있는 latent disease 잠복중인 병

   ▣ 어떤 물질이 고체, 액체, 기체로 상태를 변화하기 위해 필요로 하는 열

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【 물의 잠열】

파. 증기 - 공기 밀도 (Vaper-Air Density)

   ▣ 어떤 온도에서 액체와 평형상태에 있는 증기와 공기의 혼합물의 증기밀도

하. 증기밀도 (Vaper Density)

   ▣ 액체나 고체에서 발생된 증기가 일정한 체적에서 차지하는 증기의 질량

5. 전기방폭구조

가. 내압(耐壓)방폭구조

  ▣ 점화원이 될 수 있는 부분 (전기불꽃, 아크, 고온부분)을 전폐구조의 용기 내부에 설치하고 용기 내부에서 폭발성

       가스가 침입하여 폭발하여도 그 폭발 압력 등을 기계적으로 견디며 외부로 누출되어 화염의 전파 및 인화가 되지

       않게 한 구조를 말한다.

나. 내압(內壓)방폭구조 = 압력방폭구조

  ▣ 압력방폭구조라고도 하며 점화원이 될 수 있는 부분을 공기 또는 질소로 압입하여 압력을 유지하고 폭발성 가스

       또는 증기가 유입되어 연소범위 (산소+폭발성 가스)를 형성하는 것을 방지하는 구조를 말한다. 내압(耐壓)방폭구조와

       는 구분을 하여야 한다.

다. 유입 (油入) 방폭구조

  ▣ 점화원이 될 수 있는 부분을 절연유(기름) 속에 넣어 폭발성 가스의 접촉을 막아 연소 범위를 형성하지 않게 하는

      구조를 말한다.

라. 안전증 방폭구조

  ▣ 점화원이 될 수 있는 부분의 기계적, 전기적으로 안전도를 증가하는 형태를 말한다.

마. 본질안전방폭구조

  ▣ 정상 또는 사고시 (단선, 지락, 단락) 발생하는 전기불꽃, 아크 등이 폭발성 가스 혹은 증기 등에 대하여 점화되지

       않는 것이 확인된 구조의 형태로서 이 때 발생하는 스파크 등이 가스 및 증기의 최소 발화 에너지 미만이 되도록

       한 구조를 말한다.

【 출제예상문제 】

1. 열에너지중 전기에너지에는 여러가지의 발생원인이 있다. 다음 중 전기에너지원의 발생 원인에 속하지 아니하는 것은

    어느 것인가 ? ②

   ① 저항가열        ② 마찰스파크          ③ 유도가열          ④ 유전가열

※ 마찰스파크는 기계적 에너지원이다.

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2. 물에 황산을 넣어 묽은 황산을 만들 때 발생되는 열은 ? ③

   ① 연소열          ② 분해열             ③ 용해열               ④ 자연발열

※ 용해열 : 액체에 용해될 경우 발생하는 열을 말하며 황산의 경우 물에 용해될 때 발생한다.

3. 정전기에 의한 발화과정으로 옳은 것은 ? ②

   ① 방전 → 전하의 축적 → 전하의 발생 → 발화

   ② 전하의 발생 → 전하의 축적 → 방전 → 발화

   ③ 전하의 발생 → 방전 → 전하의 축적 → 발화

   ④ 전하의 축적 → 방전 → 전하의 발생 → 발화

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4. 정전기의 발생과 관련이 없는 사항은 ? ③

   ① 자동차의 장시간 주행                ② 위험물 옥외 탱크에 석유류 주입

   ③ 공기중에 습도가 높은 경우        ④ 전기 부도체의 마찰

※ 정전기 발생원인 : 전기부도체의 마찰, 자동차를 장시간 주행, 옥외탱크에 석유류 주입 인체에서의 대전

5. 정전기로 인한 피해발생의 방지대책이 아닌 것은 ? ③

   ① 접지 실시         ② 공기의 이온화           ③ 부도체 사용         ④ 70% 이상의 상대습도 유지

※ 정전기 방지대책 : 접지를 한다, 공기의 상대습도를 70% 이상으로 한다. 공기를 이온화한다. 도체물질을 사용한다.

6. 다음 중 기계적 점화원으로만 되어 있는 것은 ? ③

   ① 마찰열, 기화열           ② 용해열, 연소열            ③ 압축열, 마찰열              ④ 정전기열, 연소열

※ 기계적(물리적) 마찰열 : 기계적 마찰, 충격, 단열압축 등에 의해 일어나는 발화원이다.

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7. 착화온도 500 [℃] 에 대한 설명으로 옳은 것은 ? ②

   ① 500 [℃]로 가열하면 산소공급 없이 인화한다.

   ② 500 [℃]로 가열하면 공기 중에서 스스로 타기 시작한다.

   ③ 500 [℃]로 가열하여도 점화원이 없으면 타지 않는다.

   ④ 500 [℃]로 가열하면 마찰열에 의하여 연소한다.

※ 발화점 (착화점) : 열 등의 형태로 에너지가 주어질 경우 스스로 연소가 시작되는 최저 온도

8. 다음 중 인화점이 가장 낮은 물질은 ? ①

   ① 산화프로필렌         ② 이황화탄소               ③ 메틸알코올                ④ 등유

※ 제4류 위험물의 인화점

9. 가연성 증기를 발생하는 액체가 공기와 혼합하여 기상부에 다른 불꽃이 닿았을 때 연소가 일어나는 최저의 액체 온도를

     무엇이라고 하는가 ? ②

   ① 발화점                ② 인화점               ③ 연소점                       ④ 착화점

※ 인화점 : 외부에너지를 점화원(불꽃 등)으로 가했을 경우 연소가 시작되는 최저 온도

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10. 1[g]의 물체를 1 [℃] 만큼 온도를 상승시키는데 필요한 열량을 나타내는 것은 ? ③

   ① 잠열            ② 복사열                ③ 비열                ④ 열용량

※ 비열 (Specific heat)

   ① 1 [cal] : 1[g]의 물을 1[℃] 만큼 온도를 상승시키는데 필요한 열량

   ② 1[BTU] : 1[lb]의 물을 1[°F] 만큼 온도 상승시키는데 필요한 열량

   ③ 1[chu] : 1[lb]의 물을 1 [℃] 만큼 온도 상승시키는데 필요한 열량

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11. 연소점에 관한 설명으로 옳은 것은 ?

   ① 점화원 없이 스스로 불이 붙는 최저 온도

   ② 산화하면서 발생된 열이 축적되어 불이 붙는 최저 온도

   ③ 점화원에 의해 불이 붙는 최저 온도

   ④ 인화 후 일정시간 이상 연소상태를 계속 유지할 수 있는 온도

※ 연소점 : 외부 에너지를 제거하여도 자력으로 지속적인 연소가 가능한 온도로 일반적으로 인화점 보다

     약 5 ~ 10 [℃] 정도 높다.

12. 물질의 증기비중을 가장 옳게 나타낸 것은 ? (단, 수식에서 분자, 분모의 단위는 모두  [g/mol] 이다) ②

13. 다음 중 증기압의 단위가 아닌 것은 ? ④

   ① mHg             ② kPa              ③ N/㎡              ④ cal / ℃

※ 증기압의 단위 : atm, ㎜Hg, kg/㎠, mH2O, mAq, PSI, lb/in2, kPa, N/㎠, mbar

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14. 0 [℃]의 얼음 1[g]이 100[℃]의 수증기가 되려면 몇 [cal]의 열량이 필요한가 ? (단, 0[℃] 얼름의 융해열은 80 [cal/g]이고,

      물의 증발잠열은 539 [cal/g]이다) ②

   ① 539             ② 719                    ③ 939                     ④ 1119

※ 필요 열량 : 융해열 80 + 현열 100 + 증발잠열 539 = 718

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15. 화씨 95 [°F]를 켈빈 [Kelvin] 온도로 나타내면 약 몇 K인가 ? ②

     ① 368                  ② 308               ③ 252                  ④ 178

※ 온도 환산

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