열역학의 구분에서는, 건조 공정은 「열린 계」입니다.
건조란, 「고체로 액체를 증발해서 분리하는 것」입니다.
열,또는, 압력을 조작하고, 물을 증발시켜서 이동합니다.
열의 고저와는 물질을 구성하는 분자의 운동 심함 (대소)입니다.
압력의 대소이란, 분자의 수와 분자운동의 심함입니다.
건조 공정은, (질소+산소)=공기와 수증기를 대상으로 하는, 열역학상이 전형적인 「3체 문제」입니다.
「3체 문제」와는 「취급하는 물질이 3개이상이 되면 이미 수학적인 엄밀해는 얻을 수 없다. 」로 여겨지고 있습니다.
엄밀해가 요구되지 않는 것이 정의되고 있는 이상, 실용 범위의 정확성으로 열을 올릴 필요가 있습니다.
물은 아래와 같은 힘으로 재료표면이나 내부에 보유되고 있습니다.
- 표면부착 물→계면장력
- 모관색장물→모관흡인력
- 모관懸매달기물→계면장력
- 오스모팃쿠물→오스모팃쿠흡인력
- 흡착 물→흡착력
- 결합수→친화력
이 힘에 대하여 열이나 압력을 더해서 액체를 재료표면에 이동해서 증발시킵니다.
또는, 재료내부에서 기화시켜서, 재료표면에 이동해 꺼냅니다.
열의 전달에 사용하는 힘은
- 열전도
물이나 증기의 이동에 사용하는 힘은
- 확산
증발에 사용하는 힘은
- 잠열
열의 이동은 표면에서 내부에
수분의 이동은 내부에서 표면에
역방향에 작용합니다.
건조 공정으로 가장 많은 것은, 열을 첨가하는 가열 건조입니다.
바람을 맞춰서 표면을 압력을 내려서 건조하는 바람말림도 일반적입니다.
냉각 동결한 후 압력을 내려서 건조하는 진공건조도 서서히 늘어나고 있습니다.
*물과 증기의 상평형
닫은 공간에서 물과 수증기가 공존한 상태에서는, 농도평형 정수에 이른 시점으로 물의 증발은 멈춥니다.
상온 상압 (25 ℃ · 1atm)에서 물속에 포함 된 증기는
물의 생성 자유 에너지 = -237.1KJ / mol
수증기의 생성 자유 에너지 = -228KJ / mol
H2O(liquid)→H2O(gas)+8.5kJ/mol at25℃・1atm
25도의 물의 농도평형 상수
Kc=[H2O(gas)]/[H2O(water)]=exp(-ΔG/RT)=exp(-8500/8.31×298)=0.03 at25℃・1atm
※ 8500=8.5kJ/mol
※ 298=K=273℃+25℃
∴물 97% 수증기 3%이 평형 상태
60 ℃ 상압 (60 ℃ · 1atm)에서 물속에 포함 된 증기는
물의 생성 자유 에너지 = -237.1KJ / mol
수증기의 생성 자유 에너지 = -228KJ / mol
60 ℃의 물 정압 비열 75.3J / K · mol
60 ℃의 수증기의 정압 비열 33.6J / K · mol
ΔG(333)=8500+(-41.7)(333-298)-333(41.7)In333/298=8.5825kJ/mol
60 ℃의 물의 농도 평형 상수
Kc=[H2O(gas)]/[H2O(water)]=exp(-ΔG/RT)=exp(-858285/8.31×333)=0.045 at60℃・1atm
※ 8582.5=8.5825kJ/mol
※ 333=K=273℃+60℃
∴ 물 95.5 % 수증기 4.5 %가 평형 상태
일상 경험치와 일치하지만, 60 ℃로 온도를 올리면 25 ℃를 기준으로하면 1.5 배 수증기가 쉬워집니다.
