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.