공기 액화 장치

Air liquefaction plant

공장에서 쓰는 액체 질소 · 액체 산소는, 공기를 어떻게 약 −196 °C 까지 식혀 만들까요?

무슨 일이 일어났나

1 기압에서 질소는 77.355 K(−195.8 °C), 산소는 90.188 K(−183.0 °C)에서 끓으므로(NIST), 공기를 액체로 만들려면 이보다 차갑게 식혀야 합니다.

기체는 열이 오가지 않는 채 부풀며 피스톤(바깥)을 밀면 그 일만큼 에너지를 잃어 식고, NASA 의 단열 압축 · 팽창 식 T₂/T₁ = (p₂/p₁)^((γ−1)/γ) 도 압력이 내려가면 온도가 내려감을 보여 줍니다.

시뮬레이터(2 차원 모형)에서 kT 1 J 기체를 단열 벽 상자에서 넓이 0.5 m² → 2 m² 로 부풀리면 kT 가 0.254 J 로 약 4 분의 1 이 되고, 열이 드나드는 벽이면 평균 약 0.98 J 로 거의 식지 않습니다.

그래서 공기 액화 장치는 공기를 눌러 데운 뒤 그 열을 버리고, 다시 부풀려 더 차갑게 만들기를 거듭해 끓는점 아래까지 내려가며, 질소와 산소의 끓는점이 약 13 K 달라 액체 공기에서 둘을 나눠 받을 수 있습니다.

Science Museum 에는 카를 폰 린데(Carl von Linde)의 원래 공기 액화 장치를 크게 뽑은 사진이 남아 있습니다.

💡 생활 속 예시

과학관 시연에서 그릇에 부은 액체 질소가 하얀 김을 내며 끓는 것은, 방 공기가 −195.8 °C 보다 훨씬 뜨거워서입니다 — 맨손으로 만지지 않습니다.
산을 타고 올라간 공기가 낮은 기압에서 부풀며 식어 구름이 생기는 것도, 장치 속 «부풀며 식기» 와 같은 원리입니다.

어떤 부품이 무엇을 하나

압축기 — 공기를 세게 눌러 압력을 높입니다 — 이때 공기가 데워집니다.
냉각기 · 열교환기 — 눌려 데워진 공기의 열을 물이나 되돌아오는 찬 공기에 넘겨 빼앗습니다.
팽창 밸브 · 팽창기 — 눌린 공기를 갑자기 부풀려 온도를 크게 떨어뜨립니다.
단열 통 — 아주 차가워진 공기와 액체가 바깥 열을 받지 않게 감쌉니다.
분리탑 — 끓는점이 다른 질소(77.355 K)와 산소(90.188 K)를 나눠 받습니다.

들어온 공기에서 먼지와 수증기를 걸러 냅니다.
압축기로 공기를 눌러 압력을 높이고, 데워진 열은 냉각기로 버립니다.
눌린 공기를 부풀려 온도를 더 떨어뜨립니다.
차가워진 공기로 새로 들어오는 공기를 미리 식히기를 거듭하면, 마침내 일부가 액체로 맺힙니다.
액체 공기를 분리탑에서 조금씩 데우며 끓는점이 낮은 질소와 높은 산소로 나눠 담습니다.

확인된 값

1 기압에서 질소가 끓는 온도 77.355 K (−195.8 °C) (NIST): 77.355 K 출처
1 기압에서 산소가 끓는 온도 90.188 K (−183.0 °C) — 질소보다 약 13 K 높아 둘을 나눌 수 있다: 90.188 K 출처
끓는점의 액체 질소 밀도: 806.08 kg/m³ 출처
끓는점의 액체 산소 밀도: 1141.2 kg/m³ 출처
카를 폰 린데(Carl von Linde)의 첫 공기 액화 장치 사진 (1905 년 사진 · 독일 박물관이 줌, Science Museum 1936-578): original air liquefier plant 출처
단열(등엔트로피) 압축 · 팽창의 온도 식 T2/T1 = (p2/p1)^((γ−1)/γ) (NASA): T2 / T1 = (p2 / p1) ^ [(gamma - 1)/gamma] 출처

교육과정에서는

한국 2022 · 역학과 에너지 · 열과 에너지 [12역학02-02]
한국 2022 · 고급 물리학 · 역학 [12고물01-05]

출처

https://webbook.nist.gov/cgi/fluid.cgi?PLow=0.101325&PHigh=0.101325&PInc=0.1&Digits=5&ID=C7727379&Action=Load&Type=SatT&TUnit=K&PUnit=MPa&DUnit=kg%2Fm3&HUnit=kJ%2Fkg&WUnit=m%2Fs&VisUnit=uPa*s&STUnit=N%2Fm&RefState=DEF(확인 2026-11-12)
https://webbook.nist.gov/cgi/fluid.cgi?PLow=0.101325&PHigh=0.101325&PInc=0.1&Digits=5&ID=C7782447&Action=Load&Type=SatT&TUnit=K&PUnit=MPa&DUnit=kg%2Fm3&HUnit=kJ%2Fkg&WUnit=m%2Fs&VisUnit=uPa*s&STUnit=N%2Fm&RefState=DEF(확인 2026-11-12)
https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co240215/englarged-photograph-of-the-original-air-liquefier-plant-of-carl-von-linde(확인 2026-11-12)
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/compexp.html(확인 2026-11-12)

이어서 보기

누르면 뜨거워지는 기체 (단열 과정)
녹고 얼고 끓는 변화 (상태 변화)

같은 단원 · 열역학 법칙

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