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상평형 – 나무위키:대문
상평형(相平衡)은 물질의 상(Phase)이 2개 이상 공존하며, 상전이의 평형을 이루고 있는 상태를 말한다. 상평형그림[1]에서는 두 개의 상이 만나는 …
Source: namu.wiki
Date Published: 10/6/2022
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상평형 그림(Phase Diagram). Article author: allgo77.tistory.com; Reviews from users: 12503 ⭐ Ratings; Top rated: 5.0 ⭐; Lowest rated: …
Source: toplist.xosotanphat.com
Date Published: 9/29/2022
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주제에 대한 기사 평가 상 평형 도
- Author: Chi Yeoung Park
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- Date Published: 2021. 9. 25.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=mpXeLKi5a7g
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일반적인 상평형그림의 모습으로, 붉은 선은 승화 곡선, 파란 선은 증기 압력 곡선, 녹색 실선은 일반적인 형태의 융해 곡선을 나타낸다. 녹색 점선은 물의 융해 곡선이다.
상평형 그림이란 특정 온도와 기압 등의 세기변수 하에서 물질의 상 사이의 평형상태를 나타낸 도표로 특정한 상태에서 물질이 어떤 상을 가지게 되는지를 나타낸다. 주로 증기 압력 곡선, 승화 곡선, 융해 곡선의 세 곡선으로 이루어져있으며 그 물질의 삼중점과 임계점이 나타나있다. 상평형 그림의 세로축은 포화 증기압 또는 동적 평형 상태에서의 증기압을, 가로축은 온도를 나타내게 된다.
보통 상평형 그림은 평면상에 여러 개의 곡선을 사용하여 나타나지지만, 여러 물질이 혼합된 계에서는 독립적으로 변하는 상태량이 많아서 입체적으로 나타내기도 한다.
개요 [ 편집 ]
열린 계에서는 물이 계속 증발하여 물이 다 없어질 때까지 변화가 계속되지만, 닫힌 계에서는 얼마 후 증발을 멈추고, 일정 온도 아래에서는 그 이상 상태의 변화가 일어나지 않는다. 이때, 물과 수증기의 계는 평형 상태에 있다고 하고. 이와 같이 평형 상태에 있는 증기를 포화 증기, 그 압력을 포화 증기압이라고 한다. 여기서 온도를 높이면 물은 수증기로 변하고 수증기의 양이 증가하여 그 압력이 증가한다. 반대로 온도를 내리면 수증기는 물로 변하고, 수증기의 양이 감소하여 그 압력도 감소한다. 또, 얼음이 승화하여 수증기로 되거나 수증기가 승화하여 얼음이 될 때도 얼음과 수증기 사이에는 위와 같은 관계가 성립된다. 또한, 얼음과 물은 0°C에서 함께 존재할 수 있는데, 그 이하의 온도에서도 압력을 가하면 얼음이 약간 녹아서 액체인 물이 된다는 사실도 알려져 있다. 즉, 얼음과 물이 함께 존재하는 온도도 압력에 따라 달라진다. 따라서, 물의 응고점(어는점)인 0°C나 끓는점인 100°C는 모두 1기압에서의 온도이고, 압력이 증가하면 응고점은 내려가고 끓는점은 올라간다. 이와 같은 상태의 변화와 온도나 압력과의 관계를 알아보기 위해 세로축에 압력, 가로축에 온도를 나타내는 그래프를 그리면 그림과 같이 된다. 이 그래프를 상평형 그림이라고 한다. 그림에서 AT는 얼음과 수증기가 함께 존재할 수 있는 압력과 온도를 나타내고 BT는 물과 얼음이 함께 존재할 수 있는 압력과 온도를 나타낸다. 또 CT는 물과 수증기가 함께 존재할 수 있는 온도를 나타낸다. T점의 압력과 온도에서는 얼음과 물과 수증기가 동시에 안정하게 존재할 수 있으므로 이것을 ‘삼중점’이라고 한다. 삼중점의 압력은 수증기압으로 4.58mmHg(높이 4.58mm의 수은주가 나타내는 압력) 온도는 0.0075°C이다. 이 그래프는 얼음·물·수증기 사이의 평형을 나타내고 있으므로 공기는 고려하지 않은 것이다. 보통 물의 응고점은 760mmHg의 대기압 아래에서 0°C이므로, 삼중점의 값과는 좀 다르다. 또, 물을 서서히 냉각시키면 삼중점 이하로 내려가도 얼음이 되지 않고 액체 상태를 얼마 동안 유지한다. 이것을 과냉각 상태라고 하는데, 이 상태는 안정된 상태가 아니며, 휘젓거나 작은 얼음덩어리를 넣으면 금방 전체가 얼고 만다. 물뿐만 아니라 3가지 상태를 분명히 나타내는 물질에 대해서는 이러한 상평형 그림을 각각 그릴 수가 있다.[1]
상평형 그림에서의 곡선 [ 편집 ]
증기 압력 곡선 [ 편집 ]
증기 압력 곡선이란 일정 온도에서 액체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 동적 평형 상태에서의 증기압과 외부 압력(대기압)이 같을 때 액체가 끓기 때문에 특정 압력에서의 물체의 끓는점을 나타내기도 한다. 증기 압력 곡선 위의 어느 한 점에 해당하는 온도, 기압 하에서 그 물질은 액체와 기체가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에는 상한이 있으며, 이 점을 임계점이라 한다.
융해 곡선 [ 편집 ]
융해 곡선은 특정 기압에서 물체의 녹는점을 표시한 그래프이다. 융해 곡선 위의 어느 한 점에서 물질의 상은 고체와 액체가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에서는 상한점이 발견되었지만, 융해곡선에도 상한이 있는가는 아직 밝혀지지 않았다.
일반적으로 압력이 높아질수록 녹는점은 높아지게 된다. 즉, 융해 곡선은 양의 기울기를 가진 곡선이다. 하지만 예외적으로 물의 융해 곡선은 음의 기울기를 가진다.
승화 곡선 [ 편집 ]
승화 곡선은 일정 온도에서 고체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 삼중점 이하에서만 존재한다. 액체의 증기 압력 곡선과 마찬가지로 고체의 증기압과 외부 압력이 같은 온도가 고체의 승화점이기 때문에 특정 기압에서의 승화점을 나타내기도 한다.
상평형 그림에서의 구획 [ 편집 ]
융해곡선과 승화곡선의 사이에서 물질은 고체로 존재하게 되며, 융해곡선과 증기 압력 곡선사이에서 물체는 액체로 존재하게 된다. 마찬가지로 승화곡선과 증기 압력 곡선의 사이에서 물체는 기체의 상을 가지게 된다. 각 곡선은 구획 간의 점이 지대로써 두 상이 공존하게 된다.
상평형 그림에서의 특이점 [ 편집 ]
삼중점 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 삼중점 입니다.
삼중점이란 증기 압력 곡선, 융해 곡선, 승화 곡선이 만나는 지점으로, 삼중점에서 물질은 고체, 액체, 기체의 상을 모두 가지게 된다. 승화곡선은 삼중점 이하에 존재하므로, 삼중점보다 낮은 압력에서 물질은 과냉각 상태일 때를 제외하고 액체의 상을 가질 수 없다.
임계점 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 임계점 (열역학) 입니다.
임계점이란 증기 압력 곡선의 상한점을 나타낸다. 임계점 이상에서 증기 압력 곡선은 더 이상 그려질 수 없으며, 물질은 액체인지 기체인지 구별이 모호한 상태가 되게 된다. 임계점 이상에서의 물질, 즉 초임계유체는 기체의 확산성과 액체의 용해성을 가지는 유체이며, 중금속을 녹이기도 한다.
다성분계의 상평형 그림 [ 편집 ]
KAlSiO4와 SiO2의 무게백분율과 온도에 따른 상평형도
다성분계의 상평형 그림의 경우, 여러 물질이 서로에게 영향을 미치면서 상을 이루므로 복잡하다. 마그마가 고상이 될 때의 상을 알기 위한 광물들의 상평형도 등이 여기에 해당한다.
다성분계의 상평형 그림의 곡선 [ 편집 ]
고상선과 액상선 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 고상선과 액상선 입니다.
고상선은 다성분계의 일부가 액체상태인 상과 모두 고체상태인 상의 경계를 나타낸 곡선이고, 액상선은 다성분계의 일부가 고체 상태인 상과 모두 액체상태인 상의 경계를 나타낸 곡선이다. 이러한 경계에서는 일부 물질에 대해서 고체와 액체가 공존하게 된다.
다성분계의 상평형 그림의 특이점 [ 편집 ]
공융점 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 공융점 입니다.
공융점이란 고상선과 액상선의 교점으로, 모든 성분에 대해 고체와 액체가 공존하는 점이다.
공융점을 지나가면 모든 성분의 상이 동시에 바뀌게 된다.
반응점 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 반응점 입니다.
반응점이란 계의 성분들이 반응을 할 때 반응 전과 후의 물질들이 공존하는 상태 또는 그러한 점을 의미한다.
광물들의 상평형 그림 [ 편집 ]
주로 온도(압력)과 무게백분율의 두가지 세기변수를 사용하며, 반응이 일어나지 않으면 고상선 아래에서의 완전한 고체와 액상선 위에서의 액체(마그마) 상태, 그리고 그 중간 상태로 나뉜다.
읽는 방법 [ 편집 ]
지레규칙을 이용한다. 특정 위치에서 두 물질의 비율은 그 점에서 무게백분율축 방향으로 선을 그어 양쪽 경계선과의 거리를 L1, L2라 할 때 L2:L1이 된다.
이용 [ 편집 ]
마그마가 식으면서 어떤 조성 변화를 보이는지 연구하는 데 사용되며, 보엔의 반응계열 등을 설명하는 데도 사용된다.
같이 보기 [ 편집 ]
상평형도(phase diagram)과 물질의 상(phase)
상평형도와 물질의 상(phase)
상평형도란 압력과 온도 조건에 따른 물질의 상태를 시각적으로 나타낸 그래프입니다. 상평형도는 종종 상태도라는 이름으로 불리기도 하는데, 압력과 온도가 변할때 일어나는 현상과 상 변이의 경계조건을 보여 주는 자료라고 할 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 상평형도와 물질의 상(phase)에 대해 알아보겠습니다.
상평형도에서 말하는 물질의 상태
물질은 총 4가지 상태를 가질 수 있지만 우리가 일반적으로 볼 수 있는 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 총 3가지 입니다. 물질이 낮은 온도 또는 고압의 조건에서는 고체 상태로 존재하는 경우가 많으며 이와 반대로 높은 온도 또는 저압의 조건에서는 기체 상태로 존재하는 경우가 많습니다. 아래의 상평형도를 보시면 점 A는 고체, 점 B는 액체. 점 C는 기체 상태라는 것을 알 수 있습니다.
상평형도의 예
상평형도의 선은 두 상을 구분하는 경계를 의미합니다. 이 경계의 조건에서는 열역학적으로 두 상이 모두 존재할 수 있기 때문에 평형상태를 의미한다고 볼 수 있습니다.
상평형도에서 면은 특정한 하나의 상을, 경계선은 두 상이 공존할 수 있다면, 선과 선이 만나는 점에는 어떤 일이 일어날까요? 점 D는 고체, 액체, 기체가 모두 만나는 지점입니다. 만약 어떤 물질이 이 온도와 압력 조건에 존재한다면 고체, 액체, 기체 상태 모두에 존재할 수 있습니다. 이 점을 삼중점이라고 합니다.
상평형도에서 볼 수 있는 또 다른 특이한 상태는 압력과 온도가 기체와 액체 상태의 차이를 구분할 수 없을 정도로 매우 높을 때 나타납니다. 이 조건의 영역에서 물질은 기체와 액체의 행동을 동시에 나타낼 수 있는데, 이는 초임계 유체라고 합니다. 그리고 상평형도에서 초임계 유체가 나타나는 최소 압력 및 온도 조건인 점 E는 임계점이라고 합니다.
상평형도를 볼 때 압력을 1기압을 기준으로 한정하면 실제 우리가 물질을 다루는 대기압 조건에서 온도에 따른 물질의 상태변화를 쉽게 이해할 수 있습니다. 1기압에서 고체와 액체의 경계가 되는 지점의 온도는 녹는점이고 액체와 기체의 경계가 되는 지점의 온도는 끓는점이라고 합니다.
이렇게 상평형도는 압력이나 온도가 한 지점에서 다른 지점으로 변화할 때 물질의 상태가 어떠한 경로를 통해 변화하는지 예측하는데 유용하게 사용될 수 있습니다.
상전이의 명칭
상평형도에서 각 경계의 교차점에는 교차방향에 따라 상전이를 나타내는 고유한 명칭이 있습니다.
고체/액체 경계를 가로 질러 온도가 증가할 때, 즉 고체상에서 액체상으로 이동할 때는 용융이 일어나며 이와 반대로 온도가 감소할 때, 즉 액체상에서 고체상으로 이동할 때는 응고가 일어납니다.
고체/기체 경계를 따라 온도가 증가할 때, 즉 고체상에서 기체상으로 이동할 때는 승화가 일어나며 이와 반대로 온도가 감소할 때, 즉 기체상에서 고체상으로 이동할 때는 증착이 일어납니다.
액체/기체 경계를 따라 온도가 증가할 때, 즉 액체상에서 기체상으로 이동할 때는 기화가 일어나며 이와 반대로 온도가 감소할 때, 즉 기체상에서 액체상으로 이동할 때는 응축이 일어납니다.
이를 요약해서 정리하면
고체 → 액체 : 용융
액체 → 고체 : 응고
고체 → 기체 : 승화
기체 → 고체 : 증착
액체 → 기체 : 기화
기체 → 액체 : 응축
물질의 상(phase)은 고체, 액체, 기체 이외에도 플라즈마라는 상이 존재합니다. 하지만 플라즈마의 경우 특별한 조건이 필요하기 때문에 상평도에서는 일반적으로 포함되지 않는 경우가 대부분입니다.
상평형도에는 고체, 액체, 기체 이외의 다른 정보가 표시되어 있는 경우가 있습니다. 예를 들어, 결정성 재료의 상평형도에는 각 조건에서 존재가능한 서로 다른 결정의 형태를 나타내는 경계선이 그려져 있기도 합니다. 예를 들어, 물의 상평형도를 보면 서로 다른 얼음 결정이 형성되는 온도와 압력의 조건을 구분하는 경계선이 포함되어 있습니다. 유기 화합물의 상평형도에는 종종 액체와 고체 사이의 중간상(mesophase)가 포함되기도 합니다. 이런 중간상의 대표적인 예로는, 액체와 고체 결정사이의 특성을 지니는 액정(Liquid crystal)이 있습니다.
상평형 그림(Phase Diagram)
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상평형 그림(Phase Diagram)
1. 상(Phase)
상(Phase)이란, 물질의 화학적 조성과 물리적 상태가 전체적으로 균일한 상태를 말한다. (완전히 혼합된 기체 혼합물이나 완전히 혼합되는 두 액체가 만드는 용액 또한 조성과 물리적 상태가 균일하기 때문에 단일 상으로 취급한다.)
하나의 상에서 다른 상으로 전환되는 현상을 상 전이(phase transition)이라 하고, 상전이가 발생하는 온도와 압력 조건에서 두 상은 모두 안정하게 존재할 수 있다. 이 온도를 상전이 온도(T trs )라 하며, 우리가 평소 잘 알고 있는 물질의 어는점(freezing point, T f )나 끓는점(boiling point, T b ) 등이 대표적인 상전이 온도이다. (일반적으로 물의 끓는점을 100 ℃, 물의 어는점을 0 ℃라 하는데 이는 외부압이 1 atm인 조건에서 측정한 끓는점과 어는점을 말하는 것이며, 이를 정상 끓는점, 정상 어는점이라 한다.)
즉, 상전이 온도는 주어진 압력에서 두 상이 평형을 이루는 온도를 말한다. 상전이가 일어나는 온도와 압력 조건에서 두 상이 평형을 이룬다는 것은 두 상의 안정도가 같다는 것을 뜻한다. 여기서 안정도가 같다는 것은 두 상의 깁스 자유에너지가 같다는 것이다.
예를들어 물과 수증기가 1 atm, 100 ℃ 조건에서 상평형을 이룬다는 것은 이 온도와 압력에서 물과 수증기 모두 안정하고 깁스 자유에너지는 같으며, 물과 수증기의 깁스 자유에너지가 존재 가능한 모든 상(얼음, 물, 수증기)들 중에 가장 낮다는 것을 의미한다. (물리화학에서는 깁스 자유에너지보다 포괄적인 개념인 화학퍼텐셜(chemical potential)로 설명한다.)
[참고] 화학퍼텐셜이란? 계의 변화를 일으킬 수 있는 잠재력의 척도그렇다면, 상평형을 이루고 있는 물과 수증기 말고, 나머지 한 상인 얼음의 깁스 자유에너지는 어떨까? 당연한 이야기지만, 얼음의 깁스 자유에너지는 물과 수증기의 깁스 자유에너지에 비해 크기 때문에 얼음은 1 atm, 100 ℃ 조건에서 안정할 수 없다. (반응은 깁스 자유에너지가 큰 쪽에서 작은 쪽으로 진행(△G < 0)되므로, 해당 조건에서 얼음은 물이 되든, 수증기가 되든 할 것이다. 특정 온도, 압력 조건에서 어떠한 상이 안정하다는 것은 그 상의 깁스 자유에너지가 가장 작다는 것이다. 따라서 H 2 O로 예를 들어 살펴보면, 1 atm, 0 ℃ 이하에서는 얼음이, 0 ~ 100 ℃ 에서는 물이, 100 ℃ 이상에서는 수증기가 가장 안정한(깁스 자유에너지가 최소인)상으로 존재하며, 그 경계 온도인 0 ℃와 100 ℃에서는 물과 얼음, 물과 수증기가 모두 안정하기 때문에 둘 중 어느 것으로 존재해도 이상하지 않은 것이다. 또한 같은 물이지만, 외부압력이 1기압이 아니라 매우 낮은 압력 조건이라면, 25 ℃의 물도 자발적으로 끓을 수 있다. (여기서 이야기하는 끓음은 증발이 아닌 액체의 전 영역에서 증발이 일어나는 과정을 말하며, 외부압과 액체가 만드는 증기압이 같아 일어나는 현상을 말한다. 물이 1 atm 조건에서 100 ℃에 끓는다는 것은 물이 만들어내는 수증기의 압력이 1 atm이라는 의미이다.) 2. 상평형 그림(Phase Diagram) 이와 같이 어떠한 물질이 온도와 압력 조건에 따라 가질 수 있는 안정한 상과, 상평형 등에 대한 정보를 나타낸 그림을 상평형 그림(Phase Diagram) 또는 상도표라 한다. 상평형 그림은 해당 물질의 세 가지 상에 대해 열역학적으로 안정하게 존재할 수 있는 압력과 온도에 대한 정보를 담고 있다. 다음 그림은 H 2 O의 상평형 그림이다. 물의 상평형 그림 [출처] https://courses.lumenlearning.com/cheminter/chapter/phase-diagram-for-water/ 위의 상평형 그림을 살펴보면, 점 A를 기준으로 세 개의 곡선(승화곡선, 용융곡선AD, 기화곡선AE)에 의해 영역이 나누어진다. 해당 영역 위에서는 고체, 액체, 기체 중 한 가지 상으로만 존재 가능하며, 곡선 위에서는 접하고 있는 두 개의 상이 공존하며, 세 개의 곡선이 접하는 점 A에서는 세 가지 상이 모두 공존할 수 있다. 상평형 그림의 A는 삼중점(Triple Point)으로, 세 가지 상이 공존하는 온도와 압력을 의미한다. 이 지점에서의 자유도는 0이며, 임의로 결정할 수 없다. 위 그림의 경우 고체인 얼음, 액체인 물, 기체인 수증기가 공존하는 지점이며, 만약 고체의 배열이 다른 세 가지 상 α, β, γ가 존재한다면, 이 세 가지 고체상 α, β, γ가 공존하는 온도, 압력 또한 삼중점이 된다. 참고로 순물질의 상도표에서 세 가지를 넘는 상이 공존할 수는 없으며, 이에 사중점 등은 존재하지 않는다. (아래의 상평형 그림은 황(sulfur)이며, 고체의 배열에 따라 삼중점이 추가적으로 나타난다.) 황의 상평형 그림 [출처] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sulfur_phase_diagram.svg 물의 상평형 그림에서 압력이 1 atm 인 지점에서 온도를 서서히 증가시키는 경우, B점과 C점을 통과하게 된다. 여기서 B와 C 지점이 정상 어는점과 끓는점에 해당하며, 그 온도가 각각 0 ℃와 100 ℃이다. 만약 0.5 atm (위 상평형 그림에서 0.0060 atm < P < 1.00 atm 사이 한 지점)에서 온도를 증가시키면, 얼음은 0 ℃보다 높은 온도에서 녹을 것이며, 100 ℃보다 낮은 온도에서 끓을 것이다. 압력이 0.0060 atm (삼중점에서의 압력)보다 낮으면, 고체-액체 사이의 용융-응고와 액체-기체 사이의 액화-기화 상변화는 관찰할 수 없으며, 오직 고체-기체 사이의 승화 현상만을 관찰할 수 있다. 상평형 그림의 E 지점은 임계점(Critical Point)으로 액체와 기체의 상전이를 관찰할 수 있는 최대 온도와 압력을 의미한다. 물의 경우 217.75 atm, 373.99 ℃ 이상의 온도, 압력 조건에서는 액체와 기체 사이의 상전이인 기화, 액화 현상이 나타나지 않으며, 이로 인해 액체-기체가 공존할 때 생기는 상경계(Phase Boundary) 또한 관찰되지 않는다. [출처] Physical Chemistry 9E/ Peter Atkins, Julio de Paula , 172p, Figure 4.6 ISBN-13 : 978-1-429-21812-2 만약 액체와 기체가 서로 평형 상태로 함께 존재하는 밀폐 용기를 서서히 가열하면, 증기압력이 증가한다. 이는 증기로 존재하는 입자 수를 증가시키므로 기체 밀도를 서서히 증가시킨다. 동시에 액체는 가열로 인해 부피가 팽창하고, 입자수는 감소하여 밀도는 서서히 감소한다. 기체는 밀도가 커지고, 액체는 밀도가 작아진다. 결국 액체와 기체의 밀도가 같아지면, 상의 경계가 사라지게 된다. 액체 위에 증기가 존재했던 이유는 증기 밀도가 액체 밀도보다 작아서였는데, 더이상 밀도 차이가 없으니 위아래 구분이 없어진다. 이렇게 상의 경계가 사라지는 지점의 온도와 압력을 임계점이라 한다. 임계점 이상의 온도와 압력 조건에서는 기체도 액체도 아닌 그저 유체(fluid)로 취급하게 된다. 유체는 일반적인 기체보다는 밀도가 굉장히 크고, 일반적인 액체보다는 밀도가 작은 액체와 기체 사이의 그 어딘가 애매한 성질을 갖는다. 이러한 유체를 초임계유체(Supercritical fluid, SCF)라 한다. 아래의 영상을 통해 CO 2 의 임계점에서의 모습을 관찰할 수 있다. 참고로 CO_2의 임계온도와 임계압력은 304.2 K, 72.9 atm이다. [출처] Youtube channel : Senter for nye medier [Link - https://youtu.be/RmaJVxafesU] 728x90 반응형
상평형 그림(Phase Diagram)
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상(Phase)의 정의
물질의 상(Phase)란 공간상에 물질이 모여 화학적 조성 및 물리적 상태가 전체적으로 균일한 물질의 상태를 의미한다. 물질의 대표적인 상으로는 고체상, 액체상, 기체상을 들 수 있다. 탄소와 같이 단일 물질이 두 종류 이상(흑연, 다이아몬드, 그래핀 등)의 고체상을 갖는 경우에는 동소체(Allotrope) 라고 한다.
주어진 압력 하에서 한 상이 다른 상으로 자발적으로 변하는 상 전이(phase transition)는 물질마다 고유한 온도나 압력에서 일어난다. 예를들어 1 atm 에서 온도가 0 ℃보다 낮을 때는 얼음이 물보다 안정한 상이며, 0 ℃ 보다 높을 때는 액체가 더 안정하다. 이는 0 ℃ 아래에서 물이 얼음이 변하는 과정이나, 0 ℃ 이상에서 얼음이 물로 변하는 과정이 깁스 자유 에너지가 감소하는 자발적인 반응이기 때문이다. 전이 온도(transition temperature)는 두 상이 평형을 이루는 온도이며, 깁스 에너지가 최소가 되는 온도이다.
상전이의 열역학적 예측과 실제 전이 속도는 다르다. 물질이 열역학적으로 보다 안정한 상이 있음에도 불구하고 그 상태에 이르지 못하고 머물러 있는 경우의 상을 준안정상(metastable state)이라고 한다. 과열, 과냉, 과포화등이 대표적인 예이다. 또한 다이아몬드는 열역학적으로 흑연(graphite)에 비해 불안정한데, 흑연으로 전이하는 속도가 매우매우 느려서 상전이가 일어나지 않는다고 본다. 이때 다이아몬드는 준안정상이다. 여러분이 5억년 정도 산다면 연필심이나 샤프심이 다이아몬드로 변해 부자가 될 수 있을 것이다.
상평형 그림(Phase diagram)
한 물질의 여러 상들이 열역학적으로 안정하게 존재하는 영역을 압력과 온도의 축으로 나타낸 것을 상평형 그림(Phase diagram)이라고 한다.
왼쪽 그림이 대표적인 상평형 그림이다. 상평형 그림에서 영역 사이을 구분 짓는 선들을 상 경계(phase boundaries)라고 한다. 상 경계는 두 상이 평형을 이루며 같이 존재할 수 있는 압력과 온도의 값을 나타낸다.
닫힌 용기 속에 액체 상태의 순수한 물질이 있다. 이 액체와 평형을 이루고 있는 증기의 압력을 증기 압력(vapor pressure)이라고 한다. 왼쪽 그림에서 액체-기체 상 경계는 증기 압력이 온도에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 고체-기체 상 경계는 고체의 승화 증기 압력(sublimation vapor pressure)라고도 한다.
온도가 높아지면 이웃한 분자의 인력으로부터 떨어져 나올 수 있는 충분한 에너지를 가지는 분자수가 많아지기 때문에 증기 압력은 온도가 증가하면 증가한다.
끓는점(Boiling point), 녹는점(Melting point), 임계점(Critical point), 삼중점(Triple point)
열린 용기에 담긴 액체를 가열하면 액체 표면으로부터 증발이 일어난다. 온도를 계속 올려서 증기 압력이 외부 압력과 같아지는 온도가 되면 액체 전체에서 증발이 일어나 증기가 주위로 자유롭게 퍼진다. 이처럼 액체 전체에서 자유 증발이 일어나는 현상을 끓음(Boiling)이라고 한다.
액체의 증기 압력이 외부 압력과 같아지는 온도를 끓는점(Boiling point)이라고 하며 특히 외부 압력이 1 atm일때 끓는 온도를 정상 끓는점(normal boiling point)이라고 한다. 또한 외부 압력이 1 bar 일때 끓는 온도를 표준 끓는점(standard boiling point)라고 한다. 1 bar는 1 atm보다 약간 작은 값인 1.00 bar = 0.987 atm 이므로 액체의 표준 끓는점은 정상 끓는점보다 약간 낮다. 예를 들어 물의 정상 끓는점은 100 ℃이며 표준 끓는점은 99.6 ℃ 이다.
주어진 압력하에서 물질의 액체상과 고체상이 평형을 이루며 공존하는 온도를 녹는점(melting point)이라고 한다. 물질이 녹는 온도는 어는 온도와 같기 때문에 녹는점과 어는점(freezing point)은 같다. 마찬가지로 압력이 1 atm일 때 어는점을 정상 어는점(normal freezing point) 또는 정상 녹는점(normal melting point)라고 하며 1 bar 일때는 표준 어는점(standard freezing point) 또는 표준 녹는점(standard melting point)이라고 한다.
밀폐된 용기에서 액체를 가열하면 끓지 않는다. 온도가 올라가면 증기 압력이 증가하고 액체가 증발하기 때문에 증기 압력은 증가한다. 동시에 액체는 온도가 올라감에 따라 팽창을 해서 밀도가 감소한다. 마침내 증기의 밀도와 액체의 밀도가 같아지게 되면 기체와 액체 상 사이의 표면이 없어진다. 이때 표면이 없어지는 온도를 임계 온도(critical temperature)라고 하고 증기 압력을 임계 압력(critical pressure)이라고 한다. 임계 온도와 임계 압력을 상평형 그림에 표시한 곳이 임계점(critical point)이 된다. 임계 온도와 임계 압력 이상의 영역에서는 균일한 단일 상이 용기를 가득 채우며 계면이 없는데, 이를 초임계 유체(supercritical fluid)라고 한다.
위에 있는 사진은 액체가 초임계 유체가 되가는 과정이다. 왼쪽부터 임계점이 되기 전은 액체로서 존재한다. 온도가 오르면 끓으며 액체가 팽창한다. 그러다가 기체와 액체 사이의 경계가 불분명해진다. 마지막 오른쪽에서는 초임계유체가 되었다.
마지막으로 압력과 온도의 조건을 적당히 맞추면 세 가지의 서로 다른 상, 일반적으로 고체, 액체, 기체가 모두 동시에 존재하며 평형을 이룰 수 있게 된다. 이때 세 상의 경계가 맞나는 점이 삼중점(triple point)이다. 물질의 삼중점은 물질마다 고유한 온도와 압력에서 나타낸다. 물의 삼중점은 273.16 K, 611 Pa(6.11 mbar, 4.58 Torr)이며, 삼중점이 변하지 않으므로 열역학적 온도를 정의하는 기준이 된다.
여러 물질의 상평형도
1. 이산화탄소(Carbon dioxide)
위의 그림은 이산화탄소의 상평형 그림이다. 임계점은 304.2 K, 72.9 atm에 위치하고 삼중점은 216.8 K, 5.11 atm이다. 삼중점이 대기압 1 atm보다 높은 곳에 있어서 정상적인 대기 압력하에서는 어떤 온도에서도 액체 이산화탄소가 존재하지 않는다. 또 우리가 잘 아는 고체 이산화탄소인 드라이아이스는 1 atm에서 승화점이 194.7 K 이기 때문에 바로 승화가 일어난다.
드라이아이스가 상온에서 흰 연기를 뿜는 것이 이러한 승화 현상이다.
초임계 유체 이산화탄소는 용매로써 이용된다. 초임계 이산화탄소의 좋은 점은 용매를 증발시키면 유독 물질이 남지 않고, 임계 온도가 낮기 때문에 식품이나 의약품 제조에 적합하다. 그리고 디카페인 음료를 만들기 위해 커피에서 카페인을 제거하는데 사용된다. 또 초임계 이산화탄소는 초임계 유체 크로마토그래피(supercritical fluid chromatography)에 이동상으로 많이 쓰였으나 HPLC(High Performance Liquid Chromatography)의 개발로인하여 이용도가 떨어졌다.
2. 순수한 물(DI Water)
물의 상평형 그림이다. 액체-증기 경계는 물의 증기 압력이 온도에 따라 어떻게 변하는지 나타낸다. 액체-고체 경계는 기울기가 매우 커서 녹는점을 변화시키기 위해 엄청난 압력이 필요하단 것을 볼 수 있다. 또 액체-고체 기울기는 음의 기울기를 가지고 있어서 고체인 얼음에 압력을 주면 같은 온도더라도 액체로 변하게 됨을 알 수 있다. 2000bar 까지 음의 기울기를 나타내는데 이러한 이유는 물이 얼면서 얼음이 되면 분자 구조 때문에 부피가 커지기 때문이다. 얼음은 물 분자들의 수소 결합 때문에 부피가 커지고, 물이 되면 상대적으로 이 구조가 무너져 액체가 고체보다 밀도가 높아진다.
사실 물도 다양한 고체상을 가지고 있다. 그래서 증기-액체-고체 삼중점을 제외하고도 8개의 삼중점이 더 존재한다. 얼음의 고체상들은 물 분자의 배열이 서로 다른데 이는 매우 높은 압력이 물 분자 사이의 결합을 변화시키기 때문이다.
얼음의 다양한 고체상들은 빙하를 전진시키는 원인이 된다. 빙하 밑에 깔린 얼음들은 고르지 못한 바위 위에 얹혀서 매우 높은 압력을 받고, 이로 인해 물 분자의 배열이 달라져 부피가 변하면서 전진이 일어난다.
3. 헬륨-4 (Helium 4)
헬륨-4의 상평형 그림이다. 헬륨-4(He-4)는 안정한 헬륨의 동위 원소 중의 하나로, 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 갖고 있다. 헬륨은 낮은 온도에서 비정상적인 성질을 나타낸다. 온도를 아무리 낮추어도 고체상과 기체상이 평형을 이루는 부분이 없다.
헬륨 원자는 매우 가볍기 때문에 매우 낮은 온도에서도 큰폭으로 진동을 해서 안정한 고체가 되지 못하기 때문이다. 고체 헬륨을 만들려면 매우매우 큰 압력으로 이들을 서로 가까지 붙게 해야 한다.
극저온에서 헬륨의 동위원소 3He헬륨-3 과 4He헬륨-4를 구분해야한다. 순수한 4He은 두 액체상을 가진다. He-II는 초유체(superfluid)이다. 액체 결정 물질을 제외하면 헬륨은 액체-액체 경계를 가지는 유일한 액체이다. 이 경계를 λ선(λ line) 이라고 한다. 헬륨-3도 초유체상을 가지고 있으며, 고체가 녹는 과정이 발열과정이라는 것이 특이한 점이다. 초유체 헬륨은 점성이 없다. 그래서 용기에 초유체를 담아두면 스스로 용기 벽면을 타고 흘러내리는 기이한 현상이 발생하게 된다.
물의 상평형도, 상태도(Phase Diagram of Water), 임계점(Critical Point)
우리가 흔히 보고, 만지고, 뒤집어쓰고, 마시는 물(Water)이란 물질은 상당히 독특한 성질을 가지고 있습니다.
물은 당연히 우리가 알고 있듯이 온도에 따라서 고체(얼음)-물(액체)-수증기(증기)의 3가지 형태를 취합니다.
제 와이뿌도 물이 0 oC에서 얼고 혹은 녹고, 100 oC에서 끓고 혹은 응축한다는 사실을 잘 알고 있습니다만 압력을 이야기 하면서 좀 친절하게 설명하려고 하면 지는 예체능계열(피아노 전공)이라고, 집에서 밥하는데 꼭 그런 지식이 필요하냐고 기냥 제 이야기 무시하고 텔레비전 봅니다… ^_^! 사실 압력밥솥하고 관계있는데…ㅠ_ㅠ!
아래 그림은 압력과 온도에 따른 물의 상태도입니다.
온도축과 압력축의 스케일(눈금)의 크기는 임의로 정한 것입니다(Not to scale).
그림에서 붉은 선은 대기압 하에서의 물의 끓는 온도와 수증기가 응축되는 온도를 나타내는 선입니다. 즉 “0”으로 표현된 곳이 우리가 부엌에서 딱 물이 끓기 시작하는 곳입니다. 이 상태에서는 물이 끓으면서, 즉 수면이 보글거리면서 수증기를 마구 뱉어내고 있기 때문에 물과 증기가 함께 존재한다고 보시면 되겠습니다. 이제 0점을 중심으로 물의 상태가 어떻게 변화하는지 알아보겠습니다.
0–>1로 이동하면 대기압 상태에서 물의 온도를 낮추는 것입니다. 그럼 당연히 수증기는 물로 식어버릴 것입니다. 즉 응축(Condensation)이 일어나는 것이지요.
0–>2로 이동하면 100 oC에서 물과 수증기가 함께 존재하는 상태에서 압력만 높이는 것입니다. 수증기가 응축되어 물이 되기 때문에 응축(Condensation)이 일어나게 됩니다.
0–>3으로 이동시키면 대기압 상태의 물과 수증기가 함께 존재하는 상태에서 온도만 100 oC 이상으로 올리는 것입니다. 물은 더 활발히 끓을 것이고 수증기의 온도도 올라가기 때문에 이제부터 수증기는 과열증기(Superheated Steam)이 됩니다.
0–>4로 이동하면 물과 수증기가 함께 존재하는 100 oC의 온도에서 압력을 대기압 이하로 낮추는 것입니다. 압력이 낮아지면 물의 끓는 온도가 낮아지므로 물은 격렬하게 끓기 시작하며 수증기가 마구~마구~ 생기게 됩니다.–제가 실제로 직접 본 적이 있습니다. 수면이 고요하다가 갑자기 마구 튀기 시작합니다.
그림에서 삼중점(Triple Point)라는 것을 보실 수 있을 것인데 이 상태에서는 물-수증기-얼음이 함께 존재하는 조건입니다. 즉 압력이 0.006 atm이면서 온도가 0.001 oC가 되면 아래 그림과 같은 상태가 됩니다.
당연히 액체상태인 물과 고체상태인 얼음 그리고 수증기의 온도는 모두 0.001 oC입니다. 이 상태를 만들어주기 위해서는 이 온도를 유지시키면서 압력을 0.006 atm까지 아주 낮게 만들어주어야 합니다.
그런데 이 물이라는 녀석의 상평형도는 다른 물질들과 비교하여 매우 독특한 성질을 가지고 있습니다.
대부분의 물질들은 고체상태와 액체상태의 경계를 짓는 직선이 오른쪽으로 기울어져 있지만 물은 희한하게도 이 경계를 나타내는 직선이 왼쪽으로 기울어져 있습니다. 즉 동일한 온도에서 압력만 높이면 얼음이 녹아서 물이 된다는 것입니다.
아래 그림에서 보인 것과 같이 대기압 상태에서 물을 –5 oC까지 온도를 낮추면 스케이트장과 같은 아이스링크의 얼음을 생각하시면 됩니다. 푸른색 화살표가 가르치는 곳입니다.
그런데 만일 우리가 스케이트 신발을 신고 얼음 위에 서면 우리의 몸무게는 변하지 않지만 우리 몸을 지탱해주는 스케이트 날의 면적은 매우 적기 때문에 스케이트날 밑의 얼음에 작용하는 압력은 엄청 높아집니다.
즉 얼음이 검정색 화살표를 따라 이동하여 물이 됩니다. 이 녹은 물이 윤활유와 같은 역할을 하기에 우리는 신나게 스케이트를 즐길 수 있습니다.
물의 경우 액체이든 증기든 암튼 유체이기 때문에 온도를 계속 높이면 부피가 커질려고 하고, 압력을 계속 높이면 부피가 줄어들려고 합니다. 그러다가 어떤 특정온도와 특정압력이 되면 액체의 밀도와 증기의 밀도가 같아지게 됩니다. 즉 액채상태와 증기상태의 구별이 없어지게 되는 것이죠. 이 상태를 임계상태(Critical State)라고 하며, 이 상태를 만들어주는 온도와 압력을 임계온도(Critical Temperature)와 임계압력(Critical Pressure)이라고 합니다.
물은 아니고 에탄올(C2H5OH, 술의 원료인 주정)을 가시창이 있는 초고압용기에 넣은 사진입니다. 왼쪽 사진은 액과 증기가 공존하는 상태입니다. 임계점까지 온도와 압력을 높여가면 오른쪽 사진과 같이 액체도 아닌 것이, 그렇다고 증기도 아닌 임계유체로 됩니다.
뭐~ 저 역시 한번도 본 적은 없지만 임계상태 이상의 초임계유체(Super-critical Fluid)가 되면 대충 물에다 우유를 탄 것처럼 휘뿌옇게 보인다고 합니다.
ㅎㅎ… 목성사진이 아닙니다. 구글(Google)을 엄청 욜심히 뒤져서 액체가 임계상태를 넘어가는 상태를 보여주는 이미지 파일입니다만 어떤 액체인지에 대한 언급이 없군요. 중앙의 사진이 임계상태에 도달하기 직전인 상태이고 맨 오른쪽 사진이 임계상태를 넘어간 초임계상태인 것 같습니다.
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개요[편집]
상평형 그림에서의 곡선[편집]
증기 압력 곡선[편집]
상평형 그림에서의 구획[편집]
상평형 그림에서의 특이점[편집]
다성분계의 상평형 그림[편집]
같이 보기[편집]
각주[편집] 상평형 그림 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
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상평형 그림(Phase Diagram)
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상평형 그림(Phase Diagram)
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상평형 그림(Phase Diagram)
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상평형도(phase diagram)과 물질의 상(phase)
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상평형도에서 말하는 물질의 상태
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일반적인 상평형그림의 모습으로, 붉은 선은 승화 곡선, 파란 선은 증기 압력 곡선, 녹색 실선은 일반적인 형태의 융해 곡선을 나타낸다. 녹색 점선은 물의 융해 곡선이다. 상평형 그림이란 특정 온도와 기압 등의 세기변수 하에서 물질의 상 사이의 평형상태를 나타낸 도표로 특정한 상태에서 물질이 어떤 상을 가지게 되는지를 나타낸다. 주로 증기 압력 곡선, 승화 곡선, 융해 곡선의 세 곡선으로 이루어져있으며 그 물질의 삼중점과 임계점이 나타나있다. 상평형 그림의 세로축은 포화 증기압 또는 동적 평형 상태에서의 증기압을, 가로축은 온도를 나타내게 된다. 보통 상평형 그림은 평면상에 여러 개의 곡선을 사용하여 나타나지지만, 여러 물질이 혼합된 계에서는 독립적으로 변하는 상태량이 많아서 입체적으로 나타내기도 한다. 개요 [ 편집 ] 열린 계에서는 물이 계속 증발하여 물이 다 없어질 때까지 변화가 계속되지만, 닫힌 계에서는 얼마 후 증발을 멈추고, 일정 온도 아래에서는 그 이상 상태의 변화가 일어나지 않는다. 이때, 물과 수증기의 계는 평형 상태에 있다고 하고. 이와 같이 평형 상태에 있는 증기를 포화 증기, 그 압력을 포화 증기압이라고 한다. 여기서 온도를 높이면 물은 수증기로 변하고 수증기의 양이 증가하여 그 압력이 증가한다. 반대로 온도를 내리면 수증기는 물로 변하고, 수증기의 양이 감소하여 그 압력도 감소한다. 또, 얼음이 승화하여 수증기로 되거나 수증기가 승화하여 얼음이 될 때도 얼음과 수증기 사이에는 위와 같은 관계가 성립된다. 또한, 얼음과 물은 0°C에서 함께 존재할 수 있는데, 그 이하의 온도에서도 압력을 가하면 얼음이 약간 녹아서 액체인 물이 된다는 사실도 알려져 있다. 즉, 얼음과 물이 함께 존재하는 온도도 압력에 따라 달라진다. 따라서, 물의 응고점(어는점)인 0°C나 끓는점인 100°C는 모두 1기압에서의 온도이고, 압력이 증가하면 응고점은 내려가고 끓는점은 올라간다. 이와 같은 상태의 변화와 온도나 압력과의 관계를 알아보기 위해 세로축에 압력, 가로축에 온도를 나타내는 그래프를 그리면 그림과 같이 된다. 이 그래프를 상평형 그림이라고 한다. 그림에서 AT는 얼음과 수증기가 함께 존재할 수 있는 압력과 온도를 나타내고 BT는 물과 얼음이 함께 존재할 수 있는 압력과 온도를 나타낸다. 또 CT는 물과 수증기가 함께 존재할 수 있는 온도를 나타낸다. T점의 압력과 온도에서는 얼음과 물과 수증기가 동시에 안정하게 존재할 수 있으므로 이것을 ‘삼중점’이라고 한다. 삼중점의 압력은 수증기압으로 4.58mmHg(높이 4.58mm의 수은주가 나타내는 압력) 온도는 0.0075°C이다. 이 그래프는 얼음·물·수증기 사이의 평형을 나타내고 있으므로 공기는 고려하지 않은 것이다. 보통 물의 응고점은 760mmHg의 대기압 아래에서 0°C이므로, 삼중점의 값과는 좀 다르다. 또, 물을 서서히 냉각시키면 삼중점 이하로 내려가도 얼음이 되지 않고 액체 상태를 얼마 동안 유지한다. 이것을 과냉각 상태라고 하는데, 이 상태는 안정된 상태가 아니며, 휘젓거나 작은 얼음덩어리를 넣으면 금방 전체가 얼고 만다. 물뿐만 아니라 3가지 상태를 분명히 나타내는 물질에 대해서는 이러한 상평형 그림을 각각 그릴 수가 있다.[1] 상평형 그림에서의 곡선 [ 편집 ] 증기 압력 곡선 [ 편집 ] 증기 압력 곡선이란 일정 온도에서 액체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 동적 평형 상태에서의 증기압과 외부 압력(대기압)이 같을 때 액체가 끓기 때문에 특정 압력에서의 물체의 끓는점을 나타내기도 한다. 증기 압력 곡선 위의 어느 한 점에 해당하는 온도, 기압 하에서 그 물질은 액체와 기체가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에는 상한이 있으며, 이 점을 임계점이라 한다. 융해 곡선 [ 편집 ] 융해 곡선은 특정 기압에서 물체의 녹는점을 표시한 그래프이다. 융해 곡선 위의 어느 한 점에서 물질의 상은 고체와 액체가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에서는 상한점이 발견되었지만, 융해곡선에도 상한이 있는가는 아직 밝혀지지 않았다. 일반적으로 압력이 높아질수록 녹는점은 높아지게 된다. 즉, 융해 곡선은 양의 기울기를 가진 곡선이다. 하지만 예외적으로 물의 융해 곡선은 음의 기울기를 가진다. 승화 곡선 [ 편집 ] 승화 곡선은 일정 온도에서 고체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 삼중점 이하에서만 존재한다. 액체의 증기 압력 곡선과 마찬가지로 고체의 증기압과 외부 압력이 같은 온도가 고체의 승화점이기 때문에 특정 기압에서의 승화점을 나타내기도 한다. 상평형 그림에서의 구획 [ 편집 ] 융해곡선과 승화곡선의 사이에서 물질은 고체로 존재하게 되며, 융해곡선과 증기 압력 곡선사이에서 물체는 액체로 존재하게 된다. 마찬가지로 승화곡선과 증기 압력 곡선의 사이에서 물체는 기체의 상을 가지게 된다. 각 곡선은 구획 간의 점이 지대로써 두 상이 공존하게 된다. 상평형 그림에서의 특이점 [ 편집 ] 삼중점 [ 편집 ] 이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 삼중점 입니다. 삼중점이란 증기 압력 곡선, 융해 곡선, 승화 곡선이 만나는 지점으로, 삼중점에서 물질은 고체, 액체, 기체의 상을 모두 가지게 된다. 승화곡선은 삼중점 이하에 존재하므로, 삼중점보다 낮은 압력에서 물질은 과냉각 상태일 때를 제외하고 액체의 상을 가질 수 없다. 임계점 [ 편집 ] 이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 임계점 (열역학) 입니다. 임계점이란 증기 압력 곡선의 상한점을 나타낸다. 임계점 이상에서 증기 압력 곡선은 더 이상 그려질 수 없으며, 물질은 액체인지 기체인지 구별이 모호한 상태가 되게 된다. 임계점 이상에서의 물질, 즉 초임계유체는 기체의 확산성과 액체의 용해성을 가지는 유체이며, 중금속을 녹이기도 한다. 다성분계의 상평형 그림 [ 편집 ] KAlSiO4와 SiO2의 무게백분율과 온도에 따른 상평형도 다성분계의 상평형 그림의 경우, 여러 물질이 서로에게 영향을 미치면서 상을 이루므로 복잡하다. 마그마가 고상이 될 때의 상을 알기 위한 광물들의 상평형도 등이 여기에 해당한다. 다성분계의 상평형 그림의 곡선 [ 편집 ] 고상선과 액상선 [ 편집 ] 이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 고상선과 액상선 입니다. 고상선은 다성분계의 일부가 액체상태인 상과 모두 고체상태인 상의 경계를 나타낸 곡선이고, 액상선은 다성분계의 일부가 고체 상태인 상과 모두 액체상태인 상의 경계를 나타낸 곡선이다. 이러한 경계에서는 일부 물질에 대해서 고체와 액체가 공존하게 된다. 다성분계의 상평형 그림의 특이점 [ 편집 ] 공융점 [ 편집 ] 이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 공융점 입니다. 공융점이란 고상선과 액상선의 교점으로, 모든 성분에 대해 고체와 액체가 공존하는 점이다. 공융점을 지나가면 모든 성분의 상이 동시에 바뀌게 된다. 반응점 [ 편집 ] 이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 반응점 입니다. 반응점이란 계의 성분들이 반응을 할 때 반응 전과 후의 물질들이 공존하는 상태 또는 그러한 점을 의미한다. 광물들의 상평형 그림 [ 편집 ] 주로 온도(압력)과 무게백분율의 두가지 세기변수를 사용하며, 반응이 일어나지 않으면 고상선 아래에서의 완전한 고체와 액상선 위에서의 액체(마그마) 상태, 그리고 그 중간 상태로 나뉜다. 읽는 방법 [ 편집 ] 지레규칙을 이용한다. 특정 위치에서 두 물질의 비율은 그 점에서 무게백분율축 방향으로 선을 그어 양쪽 경계선과의 거리를 L1, L2라 할 때 L2:L1이 된다. 이용 [ 편집 ] 마그마가 식으면서 어떤 조성 변화를 보이는지 연구하는 데 사용되며, 보엔의 반응계열 등을 설명하는 데도 사용된다. 같이 보기 [ 편집 ]
상평형 그림(Phase Diagram)
728×90 반응형 상(Phase)의 정의 물질의 상(Phase)란 공간상에 물질이 모여 화학적 조성 및 물리적 상태가 전체적으로 균일한 물질의 상태를 의미한다. 물질의 대표적인 상으로는 고체상, 액체상, 기체상을 들 수 있다. 탄소와 같이 단일 물질이 두 종류 이상(흑연, 다이아몬드, 그래핀 등)의 고체상을 갖는 경우에는 동소체(Allotrope) 라고 한다. 주어진 압력 하에서 한 상이 다른 상으로 자발적으로 변하는 상 전이(phase transition)는 물질마다 고유한 온도나 압력에서 일어난다. 예를들어 1 atm 에서 온도가 0 ℃보다 낮을 때는 얼음이 물보다 안정한 상이며, 0 ℃ 보다 높을 때는 액체가 더 안정하다. 이는 0 ℃ 아래에서 물이 얼음이 변하는 과정이나, 0 ℃ 이상에서 얼음이 물로 변하는 과정이 깁스 자유 에너지가 감소하는 자발적인 반응이기 때문이다. 전이 온도(transition temperature)는 두 상이 평형을 이루는 온도이며, 깁스 에너지가 최소가 되는 온도이다. 상전이의 열역학적 예측과 실제 전이 속도는 다르다. 물질이 열역학적으로 보다 안정한 상이 있음에도 불구하고 그 상태에 이르지 못하고 머물러 있는 경우의 상을 준안정상(metastable state)이라고 한다. 과열, 과냉, 과포화등이 대표적인 예이다. 또한 다이아몬드는 열역학적으로 흑연(graphite)에 비해 불안정한데, 흑연으로 전이하는 속도가 매우매우 느려서 상전이가 일어나지 않는다고 본다. 이때 다이아몬드는 준안정상이다. 여러분이 5억년 정도 산다면 연필심이나 샤프심이 다이아몬드로 변해 부자가 될 수 있을 것이다. 상평형 그림(Phase diagram) 한 물질의 여러 상들이 열역학적으로 안정하게 존재하는 영역을 압력과 온도의 축으로 나타낸 것을 상평형 그림(Phase diagram)이라고 한다. 왼쪽 그림이 대표적인 상평형 그림이다. 상평형 그림에서 영역 사이을 구분 짓는 선들을 상 경계(phase boundaries)라고 한다. 상 경계는 두 상이 평형을 이루며 같이 존재할 수 있는 압력과 온도의 값을 나타낸다. 닫힌 용기 속에 액체 상태의 순수한 물질이 있다. 이 액체와 평형을 이루고 있는 증기의 압력을 증기 압력(vapor pressure)이라고 한다. 왼쪽 그림에서 액체-기체 상 경계는 증기 압력이 온도에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 고체-기체 상 경계는 고체의 승화 증기 압력(sublimation vapor pressure)라고도 한다. 온도가 높아지면 이웃한 분자의 인력으로부터 떨어져 나올 수 있는 충분한 에너지를 가지는 분자수가 많아지기 때문에 증기 압력은 온도가 증가하면 증가한다. 끓는점(Boiling point), 녹는점(Melting point), 임계점(Critical point), 삼중점(Triple point) 열린 용기에 담긴 액체를 가열하면 액체 표면으로부터 증발이 일어난다. 온도를 계속 올려서 증기 압력이 외부 압력과 같아지는 온도가 되면 액체 전체에서 증발이 일어나 증기가 주위로 자유롭게 퍼진다. 이처럼 액체 전체에서 자유 증발이 일어나는 현상을 끓음(Boiling)이라고 한다. 액체의 증기 압력이 외부 압력과 같아지는 온도를 끓는점(Boiling point)이라고 하며 특히 외부 압력이 1 atm일때 끓는 온도를 정상 끓는점(normal boiling point)이라고 한다. 또한 외부 압력이 1 bar 일때 끓는 온도를 표준 끓는점(standard boiling point)라고 한다. 1 bar는 1 atm보다 약간 작은 값인 1.00 bar = 0.987 atm 이므로 액체의 표준 끓는점은 정상 끓는점보다 약간 낮다. 예를 들어 물의 정상 끓는점은 100 ℃이며 표준 끓는점은 99.6 ℃ 이다. 주어진 압력하에서 물질의 액체상과 고체상이 평형을 이루며 공존하는 온도를 녹는점(melting point)이라고 한다. 물질이 녹는 온도는 어는 온도와 같기 때문에 녹는점과 어는점(freezing point)은 같다. 마찬가지로 압력이 1 atm일 때 어는점을 정상 어는점(normal freezing point) 또는 정상 녹는점(normal melting point)라고 하며 1 bar 일때는 표준 어는점(standard freezing point) 또는 표준 녹는점(standard melting point)이라고 한다. 밀폐된 용기에서 액체를 가열하면 끓지 않는다. 온도가 올라가면 증기 압력이 증가하고 액체가 증발하기 때문에 증기 압력은 증가한다. 동시에 액체는 온도가 올라감에 따라 팽창을 해서 밀도가 감소한다. 마침내 증기의 밀도와 액체의 밀도가 같아지게 되면 기체와 액체 상 사이의 표면이 없어진다. 이때 표면이 없어지는 온도를 임계 온도(critical temperature)라고 하고 증기 압력을 임계 압력(critical pressure)이라고 한다. 임계 온도와 임계 압력을 상평형 그림에 표시한 곳이 임계점(critical point)이 된다. 임계 온도와 임계 압력 이상의 영역에서는 균일한 단일 상이 용기를 가득 채우며 계면이 없는데, 이를 초임계 유체(supercritical fluid)라고 한다. 위에 있는 사진은 액체가 초임계 유체가 되가는 과정이다. 왼쪽부터 임계점이 되기 전은 액체로서 존재한다. 온도가 오르면 끓으며 액체가 팽창한다. 그러다가 기체와 액체 사이의 경계가 불분명해진다. 마지막 오른쪽에서는 초임계유체가 되었다. 마지막으로 압력과 온도의 조건을 적당히 맞추면 세 가지의 서로 다른 상, 일반적으로 고체, 액체, 기체가 모두 동시에 존재하며 평형을 이룰 수 있게 된다. 이때 세 상의 경계가 맞나는 점이 삼중점(triple point)이다. 물질의 삼중점은 물질마다 고유한 온도와 압력에서 나타낸다. 물의 삼중점은 273.16 K, 611 Pa(6.11 mbar, 4.58 Torr)이며, 삼중점이 변하지 않으므로 열역학적 온도를 정의하는 기준이 된다. 여러 물질의 상평형도 1. 이산화탄소(Carbon dioxide) 위의 그림은 이산화탄소의 상평형 그림이다. 임계점은 304.2 K, 72.9 atm에 위치하고 삼중점은 216.8 K, 5.11 atm이다. 삼중점이 대기압 1 atm보다 높은 곳에 있어서 정상적인 대기 압력하에서는 어떤 온도에서도 액체 이산화탄소가 존재하지 않는다. 또 우리가 잘 아는 고체 이산화탄소인 드라이아이스는 1 atm에서 승화점이 194.7 K 이기 때문에 바로 승화가 일어난다. 드라이아이스가 상온에서 흰 연기를 뿜는 것이 이러한 승화 현상이다. 초임계 유체 이산화탄소는 용매로써 이용된다. 초임계 이산화탄소의 좋은 점은 용매를 증발시키면 유독 물질이 남지 않고, 임계 온도가 낮기 때문에 식품이나 의약품 제조에 적합하다. 그리고 디카페인 음료를 만들기 위해 커피에서 카페인을 제거하는데 사용된다. 또 초임계 이산화탄소는 초임계 유체 크로마토그래피(supercritical fluid chromatography)에 이동상으로 많이 쓰였으나 HPLC(High Performance Liquid Chromatography)의 개발로인하여 이용도가 떨어졌다. 2. 순수한 물(DI Water) 물의 상평형 그림이다. 액체-증기 경계는 물의 증기 압력이 온도에 따라 어떻게 변하는지 나타낸다. 액체-고체 경계는 기울기가 매우 커서 녹는점을 변화시키기 위해 엄청난 압력이 필요하단 것을 볼 수 있다. 또 액체-고체 기울기는 음의 기울기를 가지고 있어서 고체인 얼음에 압력을 주면 같은 온도더라도 액체로 변하게 됨을 알 수 있다. 2000bar 까지 음의 기울기를 나타내는데 이러한 이유는 물이 얼면서 얼음이 되면 분자 구조 때문에 부피가 커지기 때문이다. 얼음은 물 분자들의 수소 결합 때문에 부피가 커지고, 물이 되면 상대적으로 이 구조가 무너져 액체가 고체보다 밀도가 높아진다. 사실 물도 다양한 고체상을 가지고 있다. 그래서 증기-액체-고체 삼중점을 제외하고도 8개의 삼중점이 더 존재한다. 얼음의 고체상들은 물 분자의 배열이 서로 다른데 이는 매우 높은 압력이 물 분자 사이의 결합을 변화시키기 때문이다. 얼음의 다양한 고체상들은 빙하를 전진시키는 원인이 된다. 빙하 밑에 깔린 얼음들은 고르지 못한 바위 위에 얹혀서 매우 높은 압력을 받고, 이로 인해 물 분자의 배열이 달라져 부피가 변하면서 전진이 일어난다. 3. 헬륨-4 (Helium 4) 헬륨-4의 상평형 그림이다. 헬륨-4(He-4)는 안정한 헬륨의 동위 원소 중의 하나로, 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 갖고 있다. 헬륨은 낮은 온도에서 비정상적인 성질을 나타낸다. 온도를 아무리 낮추어도 고체상과 기체상이 평형을 이루는 부분이 없다. 헬륨 원자는 매우 가볍기 때문에 매우 낮은 온도에서도 큰폭으로 진동을 해서 안정한 고체가 되지 못하기 때문이다. 고체 헬륨을 만들려면 매우매우 큰 압력으로 이들을 서로 가까지 붙게 해야 한다. 극저온에서 헬륨의 동위원소 3He헬륨-3 과 4He헬륨-4를 구분해야한다. 순수한 4He은 두 액체상을 가진다. He-II는 초유체(superfluid)이다. 액체 결정 물질을 제외하면 헬륨은 액체-액체 경계를 가지는 유일한 액체이다. 이 경계를 λ선(λ line) 이라고 한다. 헬륨-3도 초유체상을 가지고 있으며, 고체가 녹는 과정이 발열과정이라는 것이 특이한 점이다. 초유체 헬륨은 점성이 없다. 그래서 용기에 초유체를 담아두면 스스로 용기 벽면을 타고 흘러내리는 기이한 현상이 발생하게 된다.
상평형도(phase diagram)과 물질의 상(phase)
상평형도와 물질의 상(phase) 상평형도란 압력과 온도 조건에 따른 물질의 상태를 시각적으로 나타낸 그래프입니다. 상평형도는 종종 상태도라는 이름으로 불리기도 하는데, 압력과 온도가 변할때 일어나는 현상과 상 변이의 경계조건을 보여 주는 자료라고 할 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 상평형도와 물질의 상(phase)에 대해 알아보겠습니다. 상평형도에서 말하는 물질의 상태 물질은 총 4가지 상태를 가질 수 있지만 우리가 일반적으로 볼 수 있는 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 총 3가지 입니다. 물질이 낮은 온도 또는 고압의 조건에서는 고체 상태로 존재하는 경우가 많으며 이와 반대로 높은 온도 또는 저압의 조건에서는 기체 상태로 존재하는 경우가 많습니다. 아래의 상평형도를 보시면 점 A는 고체, 점 B는 액체. 점 C는 기체 상태라는 것을 알 수 있습니다. 상평형도의 예 상평형도의 선은 두 상을 구분하는 경계를 의미합니다. 이 경계의 조건에서는 열역학적으로 두 상이 모두 존재할 수 있기 때문에 평형상태를 의미한다고 볼 수 있습니다. 상평형도에서 면은 특정한 하나의 상을, 경계선은 두 상이 공존할 수 있다면, 선과 선이 만나는 점에는 어떤 일이 일어날까요? 점 D는 고체, 액체, 기체가 모두 만나는 지점입니다. 만약 어떤 물질이 이 온도와 압력 조건에 존재한다면 고체, 액체, 기체 상태 모두에 존재할 수 있습니다. 이 점을 삼중점이라고 합니다. 상평형도에서 볼 수 있는 또 다른 특이한 상태는 압력과 온도가 기체와 액체 상태의 차이를 구분할 수 없을 정도로 매우 높을 때 나타납니다. 이 조건의 영역에서 물질은 기체와 액체의 행동을 동시에 나타낼 수 있는데, 이는 초임계 유체라고 합니다. 그리고 상평형도에서 초임계 유체가 나타나는 최소 압력 및 온도 조건인 점 E는 임계점이라고 합니다. 상평형도를 볼 때 압력을 1기압을 기준으로 한정하면 실제 우리가 물질을 다루는 대기압 조건에서 온도에 따른 물질의 상태변화를 쉽게 이해할 수 있습니다. 1기압에서 고체와 액체의 경계가 되는 지점의 온도는 녹는점이고 액체와 기체의 경계가 되는 지점의 온도는 끓는점이라고 합니다. 이렇게 상평형도는 압력이나 온도가 한 지점에서 다른 지점으로 변화할 때 물질의 상태가 어떠한 경로를 통해 변화하는지 예측하는데 유용하게 사용될 수 있습니다. 상전이의 명칭 상평형도에서 각 경계의 교차점에는 교차방향에 따라 상전이를 나타내는 고유한 명칭이 있습니다. 고체/액체 경계를 가로 질러 온도가 증가할 때, 즉 고체상에서 액체상으로 이동할 때는 용융이 일어나며 이와 반대로 온도가 감소할 때, 즉 액체상에서 고체상으로 이동할 때는 응고가 일어납니다. 고체/기체 경계를 따라 온도가 증가할 때, 즉 고체상에서 기체상으로 이동할 때는 승화가 일어나며 이와 반대로 온도가 감소할 때, 즉 기체상에서 고체상으로 이동할 때는 증착이 일어납니다. 액체/기체 경계를 따라 온도가 증가할 때, 즉 액체상에서 기체상으로 이동할 때는 기화가 일어나며 이와 반대로 온도가 감소할 때, 즉 기체상에서 액체상으로 이동할 때는 응축이 일어납니다. 이를 요약해서 정리하면 고체 → 액체 : 용융 액체 → 고체 : 응고 고체 → 기체 : 승화 기체 → 고체 : 증착 액체 → 기체 : 기화 기체 → 액체 : 응축 물질의 상(phase)은 고체, 액체, 기체 이외에도 플라즈마라는 상이 존재합니다. 하지만 플라즈마의 경우 특별한 조건이 필요하기 때문에 상평도에서는 일반적으로 포함되지 않는 경우가 대부분입니다. 상평형도에는 고체, 액체, 기체 이외의 다른 정보가 표시되어 있는 경우가 있습니다. 예를 들어, 결정성 재료의 상평형도에는 각 조건에서 존재가능한 서로 다른 결정의 형태를 나타내는 경계선이 그려져 있기도 합니다. 예를 들어, 물의 상평형도를 보면 서로 다른 얼음 결정이 형성되는 온도와 압력의 조건을 구분하는 경계선이 포함되어 있습니다. 유기 화합물의 상평형도에는 종종 액체와 고체 사이의 중간상(mesophase)가 포함되기도 합니다. 이런 중간상의 대표적인 예로는, 액체와 고체 결정사이의 특성을 지니는 액정(Liquid crystal)이 있습니다.
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