증기압과 상평형

기체 용기 내의 압력을 개개의 분자들이 용기 벽에 충돌하여 힘으로 작용하는 사실에 기인한다. 이 힘은 분자들의 평균 속도와 용기의 단위 체적당 분자들의 수 (몰밀도)에 비례한다. 그러므로 기체에 의한 압력은 기체의 밀도와 온도의 함수이다. 기체혼합물에 있어서, 압력 변환기와 같은 센서에 의해서 측정되는 압력은 분압이라고 하는 개별적 기체 종류에 의해서 나타나는 압력들의 총합이다. 대기는 건공기(습기가 전혀 없는 공기)와 수증기(습기로 일컬어짐)의 혼합물로 간주되며, 대기압은 건공기의 압력 Pa와 증기압(vapor pressure) Pv라고 하는 수증기의 압력의 합이다. 즉  Patm = Pa + Pv

증기압은 공기가 주로 질소와 산소로 구성되어 있기 때문에 증기압은 극히 일부분(보통 3% 이하)을 차지하며, 물 분자는 공기의 전체 분자들 중 극히 일부분(보통 3% 이하)을 구성한다. 그렇지만 공기 내의 수증기 양은 열적 안락함과 건조(drying)와 같은 많은 공정에 큰 영향을 준다.

 공기는 한정된 양의 습기만을 함유할 수 있으며, 주어진 온도에서 최대로 공기 내에 함유할 수 있는 습기의 양에 대한 그 온도에서 실질적 수증기의 함유량의 비를 상대습도(relative humidity) ∮로 정의한다. 상대습도의 범위는 건 공기에 대해 0으로부터 포화공기(saturated air)에  대해 100%까지 이다.

열적으로 안락함은 느낄 수 있는 상대습도의 바람직한 범위는 40~60%이다.

 함유할 수 있는 습공기의 양은 포화압력에 비례하는데, 이것은 온도의 증가와 함께 증가한다. 이것은 온도의 증가와 함께 증가한다. 그러므로 공기는 보다 높은 온도에서 더 많은 습기를 함유할 수 있다. 습공기의 온도가 낮아지면 습기를 함유할 수 있는 능력을 감소시키며 결과적으로 공기 중의 습기의 일부가 떠는 상태의 물방울(안개)이나 차가운 표면 위의 액막(이슬) 형태로 응축된다. 그럼므로, 안개나 이슬이 특히 온도가 가장 낮은 이른 아침에 습기가 많은 지역에서 자주 발생하는 것은 그리 놀랄 일이 아니다. 안개나 이슬은 해가 뜬 직후에 공기 온도가 조금만 증가해도 없어진다. 또한 전자기기들은 민감한 전자 부품에 습기가 응축되지 않도록 차가운 채로 습기가 많은 실내로 가지고 들어가지 말라고 경고문을 보았을 것이다.

 매질 내에 물질의 불균형이 있을 때마다 자연은 "균형(balance)"이나 "균등(equality)"이 이루어질 때까지 재분배하는 경향이 있음을 우리는 흔히 관찰하게 된다. 이러한 경향을 흔히 구동력으로 지칭하는데, 이 구동력은 열전달, 유체유동, 전류 및 질량전달과 같이 자연적으로 일어나는 많은 전달현상 위에 숨어 있는 기구(mechanism)이다. 단위 체적당 어떤 물질의 양을 그 물질의 농도로 정의하면, 물질의 흐름은 언제나 농도가 감소하는 방향으로, 즉 농도가 높은 영역에서 농도가 낮은 영역으로 흐른다고 말할 수 있다. 그 물질은 재분포되는 동안 단순하게 서서히 멀리 퍼진다. 따라서 이 유동은 확산과정이다.

 사람들은 경험에 의해 환기 잘되는 장소에 걸려 있는 축축한 옷이 결국에는 마르게 되고, 유리잔 안에 남아 있는 소량의 물이 증발하고, 뚜껑이 열린 병 안에 있는 면도 로션이 재빠르게 없어지는 현상을 알고 있다. 이러한 현상들과 그 밖에 많은 다른 예로부터 질량을 한 상으로부터 다른 상으로 변환시키는 물질의 두 상 사이의 구동력이 있음을 알 수 있다. 이 구동력의 크기는 두 상의 상대적 농도에 따라 달라진다. 축축한 옷이 습한 공기에서보다 건조한 공기 속에서 더 빨리 마른다. 사실, 주위의 상대습도가 100%가 되어 공기가 포화상태라면 전혀 마르지 낳을 것이다. 이 경우에는 액상으로부터 기상으로 전혀 변환이 없을 것이며, 이 두 상은 상평형(phase equilibrium) 상태에 있을 것이다. 대기에 노출되어 있는 액체 물에 대하여 상평형에 대한 기준은 "공기 속의 증기압은 그 물의 온도에서 물의 포화압력과 동일하다."라고 표현될 수 있다. 

 그러므로 만일 공기 내의 증기압이 그 물의 온도에서 물의 포화압력보다 낮다면, 물의 일부가 증발한다. 증기압과 포화압력의 차가 크면 클수록 증발률은 더욱 커질 것이다. 증발은 물에 대해 냉각효과가 있으며, 이로 인해 물의 온도가 낮아지게 된다. 이것은 다시 물의 포화압력과 증발률을 감소시킬 것이며, 이 현사은 일종의 준정상 작동이 이루어질 때까지 계속된다. 이와 같은 사실이 특히 건조한 기후에서 왜 물의 온도가 주위 온도보다 상당히 낮은가 하는 이유를 설명해 준다. 이것은 또한 물의 온도가 증가하고 이에 따라 물의 포화압력이 증가하면 물의 증발률이 증가된다는 것을 시사한다.

 수면에 있는 공기는 물과 직접 접촉하기 때문에 언제나 포화상태일 것이며, 결과적으로 증기압이 된다. 그러므로 호수 표면에서 증기압은 단순히 물의 표면온도에서 물의 포화압력일 것이다. 만일 공기가 포화되지 않았다면, 증기압은 수면으로부터 어느 정도 거리가 떨어진 공기 속의 증기압까지 떨어지게 되는데, 이 두 증기압의 차이가 물을 증발시키는 구동력이다. 

 물이 주위 공기 속의 수증기와 상평형을 이루기 위하여 증발하는 자연적 경향은 증발 냉각기(evaporative coolers)의 작동의 기초가 된다. 이와 같은 냉각기 안에서는 덥고 건조한 공기가 건물에 들어가기 전에 축축한 천을 통해 흐르도록 되어 있다. 물의 일부가 공기로부터 열을 흡수함으로써 증발하며, 물을 냉각시키게 된다. 증발 냉각기는 건조한 기후에서 보편적으로 사용되며, 냉각에 매우 효과적이다.