액체 상태인 물에서, H₂O 분자는 서로 결합과 분리를 반복합니다. 그러나 물 분자가 열을 받으면, 분자 간 결합이 빠르게 깨지기 시작하여 증기가 생성됩니다. 결국 충분한 열이 공급되면, 일부 분자가 결합에서 벗어나 자유롭게 됩니다. 이러한 '자유'상태의 분자는 우리가 증기로 알고 있는 투명한 기체가 되며, 정확히는 건증기라고 표현할 수 있습니다.

증기를 사용하는 업계에서는 건증기(포화증기)와 습증기의 두가지 형태로 증기를 구분합니다.

• 건증기는 모든 물 분자가 기체 상태로 존재할 때를 의미하며, 그 상태는 투명한 기체로 나타납니다.
• 습증기는 물 분자의 일부가 잠열을 방출하면서, 응축되어 작은 물방울을 형성한 상태를 의미합니다.

주전자에서 끓고 있는 물을 예로 들어보겠습니다. 물은 처음에 가열원을 통해 열을 흡수 합니다. 가열원으로부터 점점 더 많은 열 에너지를 흡수하면, 물 분자가 불안정해지며 끓기 시작합니다. 충분한 에너지가 공급되면 물의 일부가 증발하면서 분자의 부피가 1600배 증가합니다.

주전자 주둥이 밖으로 김이 나오는 모습을 가끔 보실 수 있습니다. 이 김은 건증기가 차가운 대기로 방출되면서 주변 공기에 에너지가 전달되어 잠열이 손실되는 한 예입니다. 분자 간 결합이 다시 형성될 정도로 에너지가 손실되면 공기 중에 물방울이 떠다니게 됩니다. 이러한 액체 상태(작은 물방울)와 기체 상태(증기)의 혼합물을 습증기라고 합니다.

증기의 다양한 유형과 종류에 대해 더 자세한 내용은 다음 글을 참조하시기 바랍니다.

• 증기의 종류

증기는 산업혁명 시대에 필수적인 역할을 했습니다. 18세기 초 증기엔진의 발전은 증기 기관차와 증기선의 비약적인 성장을 이끌었으며, 단조품 제조에 활용된 증기 가열과 스팀 헤머는 말할 것도 없습니다.

최근에는 동력원 중 증기가 내연기관이나 전력으로 대체되는 경우가 있지만, 그럼에도 불구하고 증기는 여전히 전력 플랜트와 대형 산업용 애플리케이션에서 널리 사용되고 있습니다.

증기는 직접 가열이나 간접 가열의 열원으로 가장 널리 알려져 있습니다. 

증기를 이용한 직접가열

증기의 직접 가열 방법은 증기가 피가열물과 적접 접촉하여 가열이 이루어집니다.

아래의 예는 찐빵이 증기로 쪄지고 있는 모습을 보여줍니다. 찜솥은 끓는 물이 담긴 냄비 위에 놓여 있습니다. 물이 끓으면 증기가 찜솥 안으로 올라가 찐빵을 찌게 됩니다. 이 단계에서 보일러(냄비)와 직접 가열 장치(찜솥)는 결합되어 역할을 수행합니다.

음식을 찌는 원리는 증기가 제품과 직접 접촉하여 가열을 이루며, 증기의 잠열이 음식에 직접 전달됩니다. 물방울은 응축을 통해 가습을 하게 됩니다.

산업계에서 증기 직분사 방식은 요리, 살균, 증기 건조, 가황 및 기타 공정에 사용됩니다.

간접 증기 가열

간접 증기 가열 방식은 증기가 제품에 직접 접촉하지 않은 채 가열이 이루어지는 공정을 말합니다. 이 방식은 산업계에서 널리 사용되며, 빠르고 균일한 가열이 가능하다는 장점이 있습니다. 또한 열교환기를 사용하여 제품을 가열할 때 자주 활용됩니다.

이 방식이 직접 증기 가열보다 나은 점은 가열 시 발생하는 물방울이 제품에 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 따라서 증기는 용융, 건조, 가열과 같은 애플리케이션에서 다양하게 활용될 수 있습니다.

간접 증기 가열은 식품 및 음료, 타이어, 제지, 판지, 가솔린과 같은 연료, 의약품 등 광범위한 생산 공정에서 사용됩니다.

산업계에서 증기 사용에 관한 더 자세한 내용은 다음 글을 글을 참조하시기 바랍니다.

• 증기의 주요 애플리케이션