포화 액체의 엔탈피(Enthalpy)는 단위 중량을 기준온도(그 온도에서 액체의 열함량을 0으로 잡음)로부터 그 온도까지 올리는 데 필요한 열량이다. 액체의 경우 엔탈피는 현열(顯熱: Sensible heat)과 융해열(融解熱: Heat of fusion)의 합이다. 비슷하게 포화 증기의 경우 엔탈피는 액체의 엔탈피와 증발잠열(蒸發潛熱: Latent heat of vaporization)의 합이다. 이것은 보통 kcal/kg으로 표시된다. 포화 액체나 증기의 엔탈피 또는 총열함량(總熱含量: Total heat content)은 예컨대 액체 증발기의 설계 및 용량 계산에 쓰이는 중요한 개념이다.

액체의 엔트로피(Entropy)는 그 엔탈피를 절대온도로 나눈 것이다. 이것은 kcal/kg?℃로 표시되고, 액체나 기체가 열의 흡수 또는 방출 없이 변화할 동안은 일정하게 유지된다. 반면에 물질이 주위로부터 열을 받거나 주위로 열을 방출하면 엔트로피는 증가 또는 감소한다. 온도의 미소변화(微小變化)에 걸쳐 엔트로피의 증가나 감소를 절대온도로 곱하면 dq=ds?T와 같이 그 유체에 의하여 흡수 또는 소실된 열량을 나타낸다.

기상-액상(氣相-液相)의 프로판과 부탄에 대한 엔탈피 값이 몇 가지 자료로 발표되었는데, 액체의 엔탈피를 0으로 잡는 기준온도가 -200℉ 또는 -280℉와 같이 상이하다.

그런데 액상이나 기상의 변화-예컨대 배관을 통한 액체의 흐름, 액체의 압축, 비점에서 액체의 증발, 기체의 과열, 기체의 팽창이나 압축-를 포함하는 실제적인 조건을 다룰 때에 우리는 포화상태 이외의 열함량(또는 엔탈피)에 대한 지식이 필요하다. 이런 목적으로 엔탈피를 압력 및 온도와 관련짓는 선도(線圖: Diagram)가 마련되었는데, 이것은 흔히 Mollier선도로 잘못 불리는 것으로 진짜 Mollier선도는 엔탈피와 엔트로피의 관계도이다.

프로판과 n-부탄에 대하여 Starling에 의해 마련된 유용한 압력-엔탈피 선도가 이 책 부록에 실려 있다. 여기서 엔탈피와 엔트로피를 0으로 잡는 기준상태는 절대온도 0 R(=0 K)와 압력 0 lb/in2(=0 kg/cm2)이므로 엔탈피 값은 다른 자료에 실린 것과 상이하다. 하지만 실제로 우리는 흔히 엔탈피 또는 엔트로피의 절대값 대신 변화에 관심이 있으므로 기준온도의 차이는 상관없다.

이제부터 엔탈피 선도로부터 유용한 데이터를 추출하는 과정을 알아본다. 먼저 프로판이 증기압 하에서 완전히 증발되는 과정을 살펴보자(그림 2.20).

그림 2.20 프로판의 압력-엔탈피 선도(개략)

점 A는 60℉(15.6℃)에서 증기압 107 lb/in2A(7.52 kg/cm2)인 출발점으로, 액체의 엔탈피는 -822 Btu/lb(-457cal/g)이다. 증발은 일정한 온도와 압력에서 직선 AB를 따라 일어난다. 포화상태를 나타내는 곡선의 다른 끝인 점 B에서 기체의 엔탈피는 -671 Btu/lb(-373cal/g)이다. AB는 증발을 일으키기 위하여 공급되어야 할 열(즉 60℉의 증발잠열)을 나타내고 -671-(-822)=151 Btu/lb(84cal/g)이다. 이제 포화증기를 대기압까지 단열팽창(斷熱膨脹: Adiabatic expansion)시키면 프로판은 등엔트로피선(等-線: Isentropic line) BC를 따라 움직여 -42℉(-5.6℃)에 이른다. 점 C는 포화곡선의 안쪽에 위치하여 일부 액체의 응축이 일어남을 나타내는데, 이 때 건조도(Dryness factor) q는 다음 식으로 표시된다.

C의 열함량= E의 열함량 +q(L)
여기서 L: 비점(1기압)의 증발잠열(182 Btu/lb=102 cal/g)
따라서 -710=-880 + q(182)
q=170/182
=0.935
즉 기체 중에서 6.5 w%가 응축한다.

한편 점 B의 포화증기를 점 F까지 등압에서 85℉로 과열하면 엔탈피는 -660 Btu/lb(11 Btu/lb의 현열을 가해야 함)이 되고, 이를 다시 대기압까지 단열팽창시키면 증기는 점 D에 이른다. 이 때는 바로 기체가 포화곡선 상에 위치하여 완전히 “건조” 상태임을 가리킨다. 아울러 이 범위 내에서 프로판 증기의 비열은 파운드 당 흡수된 열량(11 Btu)을 온도 상승(25℉)으로 나누어 0.44 Btu/lb?℉이 된다.

저압 액체인 n-부탄의 경우는 흔히 펌프에 의하여 저장 탱크에서 배출되어 가압상태로 증발기에 공급됨으로써 이어지는 배관 손실을 이겨내거나 증기출구에서 노점의 난관을 극복하기에 충분한 열을 가질 수 있게 된다.

그림 2.21 n-부탄의 압력-엔탈피 선도(개략)

그림 2.21