끓음

끓고 있는 물

끓음 또는 비등(沸騰, 영어: boiling)은 액체가 기포를 만들며 빠르게 기체로 바뀌는 상전이이다. 액체의 증기압이 액체 표면에 작용하는 압력과 같아질 때 끓음이 시작되며, 그 온도를 끓는점이라고 한다. 증발이 액체 표면에서만 일어나는 데 비해, 끓음에서는 액체 내부의 기포가 자라 표면으로 올라온다.

조건과 끓는점

순수한 액체가 일정한 압력에서 안정하게 끓는 동안에는 공급한 열이 주로 액체를 기체로 바꾸는 데 쓰이므로 온도는 대체로 끓는점 부근에 머문다. 끓는점은 물질의 성질이면서 주변 압력에 따라 달라진다. 예를 들어 물은 표준 대기압에서 약 100 °C에 끓지만, 고도가 높아 기압이 낮은 곳에서는 더 낮은 온도에서 끓는다. 반대로 압력이 높은 용기에서는 끓는점이 올라간다.

용해된 물질과 혼합물도 끓는점에 영향을 준다. 서로 다른 휘발성을 가진 액체의 혼합물에서는 증기의 조성이 액체와 달라질 수 있으며, 이 성질은 증류에 이용된다. 다만 일부 혼합물은 일정한 조성으로 함께 끓어 단순 증류만으로 성분을 완전히 분리하기 어렵다.

끓음의 형태

가열된 표면의 온도와 액체의 상태에 따라 끓음은 여러 형태로 나타난다. 가열이 약할 때에는 액체의 밀도 차이에 따른 자연 대류가 먼저 나타날 수 있다. 가열면의 작은 흠집이나 입자처럼 기포가 생기기 쉬운 곳에서 수증기 기포가 자라고 떨어져 나오는 현상은 핵비등이라고 한다. 표면의 거칠기와 액체 속 불순물, 가열면의 온도는 핵비등의 시작과 기포 형성에 영향을 준다.

가열된 물에서 기포가 생겨 표면으로 올라오는 모습

가열면의 온도가 매우 높아지면 가열면과 액체 사이에 증기 막이 생길 수 있다. 증기는 액체보다 열을 잘 전달하지 못하므로, 이 증기 막은 가열면과 액체 사이의 열전달을 방해해 가열면의 온도를 빠르게 높일 수 있다. 이러한 막비등은 라이덴프로스트 효과와 관련되어 있으며, 핵비등과 막비등 사이에는 불안정한 전이비등이 나타날 수 있다. 가열 조건에 따라서는 열전달이 급격히 달라져 장치가 과열될 위험이 있으므로 보일러·원자로·냉각 장치의 설계에서 중요하다.

끓음에서 기포가 생기고 성장하는 과정은 가열면의 재질과 거칠기, 액체의 표면 장력·점도, 액체의 흐름과 압력에 따라 달라진다. 용기 바닥에 붙은 작은 기포가 가열 전에 보이는 경우도 있으나, 이는 물에 녹아 있던 기체가 빠져나온 것일 수 있다. 끓음이 계속되면 수증기 기포가 생성되어 상승하고 표면에서 터지면서 액체를 섞고 열을 운반한다.

증발과의 차이

증발과 끓음은 모두 액체가 기체로 바뀌는 기화 과정이지만, 일어나는 위치와 조건이 다르다. 증발은 끓는점보다 낮은 온도에서도 액체 표면의 일부 분자가 빠져나가며 일어난다. 끓음은 액체의 증기압이 주변 압력과 같아졌을 때 액체 내부에서 기포가 안정하게 자라며 일어난다. 따라서 끓음은 대체로 눈에 보이는 기포와 액체 전체의 운동을 동반한다.

이용

끓음은 조리·증류·가열과 냉각 공정에 이용된다. 물을 끓이는 조리법에서는 식품을 물과 함께 가열하여 익히며, 곡류의 녹말은 물과 열을 받아 호화될 수 있다. 물을 끓이는 것은 물속 미생물을 줄이는 방법으로도 쓰이지만, 필요한 시간은 물의 오염 상태, 고도와 지역 보건 지침에 따라 달라질 수 있다.

냉동·공조 장치에서는 낮은 압력에서 냉매가 끓으며 주변에서 열을 흡수하는 과정을 이용한다. 화학 공정에서는 끓음과 응축의 차이를 이용해 혼합물을 분리하거나 농축한다. 반면 밀폐된 용기 안에서 액체를 가열하면 압력이 상승할 수 있으므로, 압력 용기에는 안전밸브와 압력 조절 장치가 필요하다.

같이 보기

• 상전이
• 기화
• 증발
• 끓는점
• 상평형 그림
• 기화열

각주

		반응 후
		고체	액체	기체	플라스마
반응 전	고체	고체-고체 변화	용융	승화	—
	액체	응고	—	기화	—
	기체	증착	응축	—	전리
	플라스마	—	—	재결합 / 탈전리	—

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