우선 용어부터 살펴보기로 하지요.
기체란 상온 상압에서 액체와 공존하지 않는 물질이며
증기는 상온 상압에서 액체와 공존하는 물질이지요.
예를 들면 기체에는 질소, 산소, 이산화탄소, 염소 등이 속하며
증기에는 수증기, 브로민 증기, 수은 증기, 벤젠 증기 등이 속하지요....
한편 상온에서 압력을 높이면 상당수의 기체들은 액체로 바뀝니다.
대기압에서 암모니아는 –33℃ 이하에서만 액체로 존재하지만 압력을 가하면 상온에서도 액화되지요.
이 상태의 암모니아 액체의 온도를 올리면 다시 기화가 일어나지요.
다시 압력을 증가시키면 액체로 변화됩니다.
그런데 어느 온도 이상이 되면 아무리 압력을 올려도 액화되지 않습니다.
이 온도를 임계온도라고 하며 그 때의 압력을 임계압력이라고 합니다.
임계온도의 예를 들어보면
염소: 144℃
브로민: 311℃
암모니아: 132℃
이산화탄소: 31℃
물: 314℃
벤젠: 289℃
사염화탄소: 283℃
이지요.
이산화탄소의 상변화를 자세히 살펴보면 31.04℃ 이상이 되면 액화가 일어나지 않지요.
온도를 더 올린 상태에서 존재하는 물질을 초임계유체라고 하는데 이 물질은 일반적인 기체나 증기와는 상당히 다른 성질을 가집니다.
밀도가 일반적인 기체보다 아주 크므로 용매로 사용될 수 있지요.
실제로 이산화탄소 초임계 유체는 커피에서 카페인을 제거하는 공정의 용매로 사용되고 있습니다.
그러나 어떤 기체들은 상온에서 아무리 압력을 높여도 액화가 일어나지 않습니다.
이런 기체들을 영구기체라고 하며 헬륨, 네온, 아르곤, 수소, 질소, 산소 등이 속하지요.
이들 영구기체의 임계온도를 살펴보면 다음과 같습니다.
헬륨: -268℃
수소: -240℃
질소: -147℃
산소: -118℃
이들 영구기체의 액화가 가능해진 것은 20세기에 들어와 초저온 기술이 발달한 후입니다.
온도를 내리면서 압력을 증가시키는 방법으로 액체 산소, 액체 질소를 만들 수 있었고 액체 질소를 이용하여 액체 수소를 그리고 액체 수소를 이용하여 액체 헬륨을 제조할 수 있게 된 것입니다.