영구기체 (永久氣體, 영어: permanent gas)는 과거 열역학 기술이 발달하기 이전, 통상적인 온도와 압력에서는 액화시키기 매우 어렵거나 불가능하다고 여겨졌던 기체들을 일컫는 용어이다. 초기에는 산소, 질소, 수소, 헬륨 등이 대표적인 영구기체로 분류되었다.
역사적 배경
'영구기체'라는 용어는 19세기 중반 이전의 과학자들이 특정 기체들을 액화시키려는 시도가 실패했을 때 사용하기 시작했다. 당시에는 기체를 액화시키기 위해서는 단순히 온도를 낮추고 압력을 가하는 것으로 충분하다고 여겨졌으나, 일부 기체(예: 산소, 질소, 수소 등)는 아무리 온도를 낮추고 압력을 높여도 액화되지 않아 '영구적'인 기체로 인식되었다. 그러나 1869년 토마스 앤드루스(Thomas Andrews)가 이산화탄소에 대한 연구를 통해 임계점의 개념을 발견하면서 영구기체에 대한 이해가 근본적으로 변화했다. 그는 모든 기체에는 그 이상에서는 아무리 높은 압력을 가해도 액화되지 않는 특정 온도(임계 온도)가 존재함을 증명했다.과학적 정의
현대 열역학에서는 모든 기체가 고유한 임계 온도(critical temperature)와 임계 압력(critical pressure)을 가지고 있음을 인정한다. 임계 온도는 기체가 액화될 수 있는 최대 온도이며, 임계 압력은 임계 온도에서 기체를 액화시키는 데 필요한 최소 압력이다. 따라서 '영구기체'라는 용어는 더 이상 절대적으로 액화 불가능한 기체를 의미하지 않는다. 대신, 상온(약 20~25°C) 및 상압(약 1기압)에서 임계 온도가 훨씬 낮은 기체, 즉 상온에서는 아무리 높은 압력을 가해도 액화되지 않는 기체를 지칭하는 것으로 그 의미가 변경되었다. 극저온 기술이 발달하면서 이제는 모든 영구기체도 임계 온도 이하로 냉각하면 액화시킬 수 있다.주요 영구기체
오늘날에도 흔히 영구기체로 분류되는 기체들은 다음과 같다:- 헬륨 (He): 임계 온도가 약 -267.9°C (5.2 K)로 가장 낮다.
- 수소 (H₂): 임계 온도가 약 -239.9°C (33.2 K)이다.
- 질소 (N₂): 임계 온도가 약 -147°C (126.2 K)이다.
- 산소 (O₂): 임계 온도가 약 -118.6°C (154.6 K)이다.
- 메탄 (CH₄): 임계 온도가 약 -82.6°C (190.6 K)이다. 이러한 기체들은 임계 온도가 매우 낮기 때문에 일반적인 조건에서는 액화되지 않으며, 액화시키기 위해서는 특별한 냉각 장치(극저온 기술)가 필요하다.
현대적 의미
'영구기체'라는 용어는 비록 그 절대적인 의미가 바뀌었지만, 여전히 산업 및 과학 분야에서 유용한 구별점으로 사용된다. 예를 들어, 프로판이나 부탄과 같이 상온에서도 비교적 쉽게 액화될 수 있는 기체(액화석유가스, LPG)와 달리, 영구기체는 고압 용기에 압축 가스 형태로 저장 및 운송되는 경우가 많다. 헬륨, 수소, 질소, 산소 등은 다양한 산업 공정, 의료, 우주 기술, 연구 등에서 광범위하게 사용된다.같이 보기
- 임계점
- 임계 온도
- 임계 압력
- 액화
- 기체