잠열(Latent Heat) 정의와 이해

잠열(Latent Heat) 정의와 이해

플랜트 산업에서 잠열(Latent Heat)은 열교환기나 증류탑과 같은 물질 간의 열을 교환하거나 상 변화를 유도해 공정을 수행하는 장치류의 설계에 필요한 Design factor 입니다. 증기 방출 속도를 계산하고, 응축할 증기의 양을 결정하거나, 안전밸브의 사이징을 하는데 필요한 잠열의 정의는 무엇이며 어떻게 이해해야 할까요?

PEXELS

 

 

잠열의 정의 (Latent Heat definition)

Latent Heat 우리말로 잠열이라 합니다. Latent 의 단어가 갖고 있는 사전적 뜻은 "잠재적인"을 말하며 "숨어있는(Hidden)" 을 의미하기도 합니다.  다시말해 잠열을 "숨어있는 열" 로 직역할 수 있습니다. 잠열의 사전적 정의는 다음과 같습니다.

" 일정한 온도 및 압력에서 물질의 상 변화 중 (기화,용융,승화) 물질의 1 mole 또는 단위 질량에 의해 흡수되 열의 양"

Latent Heat Formula (잠열 공식)

L = Q / m

 

• L = Latent Heat
• Q = Heat Energy
• m = Mass

공식에 의한 잠열은 열 에너지를 질량으로 나눈 값을 말합니다. TEMA 에서는 열교환기의 열량을 구할 때 잠열을 이용하는데 이때 증기와 액체의 엔탈피의 차이를 잠열로 적용합니다. 

 

Q = m*L

 

• Q = Heat Energy (Btu/hr)
• m = Mass (Ibs/hr)
• L = Latent Heat (Enthalpy of Vapor - Enthalpy of Liquid)

잠열의 이해 

 

표준물질의 대명사인 물의 끓는 현상을 보면 잠열을 이해할 수 있습니다. 라면을 먹기 위해서 냄비에 물을 넣고 가스레인지에 올려 놓은 후에 열을 가하기 시작했습니다. 초기에 열 에너지를 가했을 때 물은 끓지 않습니다. 이는 물질이 액체에서 기체로 바뀌는 상 변화가 생기기 전단계로 이 과정에서 물은 열 에너지를 계속적으로 흡수하게 됩니다. 열 에너지가 물질에 전달 되거나 제거될 때 물질은 온도는 변하게 됩니다. 하지만 상 변화를 일으키기 전까는 온도가 일정하게 유지되는데 상이 변하기 위해서는 에너지를 필요로 합니다. 잠열은 상 변화가 발생하는데 필요한 질량 단위의 열 에너지로써 분자의 운동 에너지를 변경시키는데 필요한 에너지 입니다. 따라서 초기에 라면 물에 열 에너지를 가하더라도 순식간에 끓지 않는 다는 것은 물이라는 물질의 운동 에너지가 점차적으로 증가하기 위한 에너지가 충분하지 않다고 해석할 수 있습니다. 시간이 지난 후 물의 온도가 100 ˚C가 되면 물의 운동 에너지가 충분하고 상변화를 일으키기 시작합니다.

 

물질에 의해 흡수되거나 방출되는 에너지의 특성은 물질에 의해 온도 변화 없이 발생하는 물리적 상태의 변화를 말하는 것으로, 액체를 녹이거나 얼리는 것과 같은 상 변화를 용융열이라고 합니다. 증기를 응축하는 열을 기화열이라고 하지요. 

 

잠열은 일반적인 상태 변화를 겪고 있는 물질의 몰이나 단위 질량 당 열량으로 이야기 할 수 있습니다. 물을 끓여 마지막 한 방울이 증발할 때까지 물의 온도는 100 ˚C로 유지되는데 왜냐하면 액체에 가해지는 열 에너지는 기화와 잠재 열로 흡수되고 상 변화로 발생한 증기 분자로 전이되어 이동되기 때문이죠. 증기가 방출할 때 열 에너지를 갖고 있어서 동력원으로 사용하는 것도 이러한 과학적 원리에서 출발하게 됩니다. 잠열을 쉽게 설명하고자 한다면 물질(분자)을 결합시키는 힘을 극복하는데 필요한 작업에서 발생한다는 것 입니다. 온도가 증가함에 따라 분자간의 규칙적인 구조가 열 에너지에 의해 격렬해지면서 상 변화를 일으키는 과정에서 에너지를 흡수하는 것이 바로 물질의 잠열 입니다. 

 

액체와 기체의 잠열의 차이점은 입자들 사이에 끌어당기는 힘이 응집력과 거리간의 질서를 유지하는 정도가 다르다는 점입니다. 온도가 올라가면 올라갈 수록 비등점에 도달하고 여기서 증기나 가스가 차지하는 움직임에 비해 거리간의 순서가 불안정해지는 것을 말합니다. 여기서 이를 다시 흐트러진 상태로 전환하기 위해서는 추가적인 잠열을 필요로 하는 것이지요. 

 

잠열은 단일 물질의 상변화 (고체-액체-기체) 이외의 과정과 연관성이 있습니다. 물질의 전환은 일반적인 잠열 흡수를 포함하며 특정 물질의 경우에는 용해하는 과정에서 열을 수반하는 경우도 있습니다. 

 

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