Phase Change, Phase Transition   상 변화, 상 전이

(2024-07-31)

포화점 , 포화 온도, 포화 압력, 과열 , 과냉각, 임계점 , Triple Point, 삼중점, 3중점


1.  변화 (Phase Change),  전이 (Phase Transition)

  ㅇ [일반]    어떤 현상이 임계 값(조건) 전후로 크게 달라지는 현상
 
  ㅇ [열역학]  순수물질이 조건에 따라, 이 에서 저 으로 변화되는 열역학적 과정
     - 순수물질에서 온도,압력에 따라 발생되는 물리적 변화 
        . 통상, 친숙한 이 설명에 많이 사용되나, 
        . 사실상, 모든 순수물질은 동일한 거동을 보임

  ※ [참고] 
     - 어떤 공정(온도,압력 변화)을 통해, 상 변화가 있게 하는 것  ☞ 상변태 참조 


2. 6개 가능한  변화액체기체 : 증발 (Evaporation)
  ㅇ 기체액체 : 응축 (Condensation) / 액화 (Liquefaction)
  ㅇ 고체액체 : 용융 (Melting)
  ㅇ 액체고체 : 응고 (Solidification) / 얼음 (Cooling)
  ㅇ 고체기체 : 승화 (Sublimation)
  ㅇ 기체고체 : 증착 (Deposition)
     - (승화 : 고체상에서 액체상을 거치지않고 직접 기체/증기상으로 변함)
     - (증착 : 기체/증기상에서 액체상을 거치지않고 직접 고체상으로 변함)


3. 상 변화 과정 중 주목해야 할 특징들어는점 (용융점) : 특정 압력에서, 고체 - 액체 변화가 일어나는 온도끓는점 : 특정 압력에서, 액체 - 기체 변화가 일어나는 온도승화점 : 특정 압력에서, 고체 - 기체 변화가 일어나는 온도
  ㅇ 표준 녹는점,표준 끓는점 : 대기압 하에서의 녹는점,끓는점 
  ㅇ 삼중점 : 고체상,액체상,기체상이 동시에 평형상태로 존재할 수 있는 온도압력임계점 : 매우 높은 압력에서, 포화 액체포화 증기 상태가 동일한(일치하는) 점
  ㅇ 증기압 : 특정 온도에서, 액체이거나 증기가 되는 (끓게되는), 특별한 압력
  ㅇ 초 임계 유체 : 임계 압력임계 온도 이상의 상태압력이 증가하면, 녹는점,끓는점,승화점이 올라감
  ㅇ 온도가 올라가면, 증기압도 올라감


4. 상 변화 과정을 살필 수 있는 상태량 및 선도

  ㅇ 상 변화 중 다뤄지는 상태량들
     - 기본  :  압력(P), 온도(T), 비체적(υ), 건도(x)
     - 확장  :  내부에너지(u), 엔탈피(h), 엔트로피(s)

  ㅇ  변화를 살필 수 있는 선도  :  상 선도 (Phase Diagram) 
     - 상 변화 과정 동안에 상태량(온도,압력,체적)을 변화시키며,  변화를 살필 수 있는 선도 

     - 상 선도에서, 온도,압력이 변함에 따라,  경계를 가로지르며,  변화를 살필 수 있음
        . 例)  H2O  :  고체(얼음)  -(가열)→  액체()  [용융]
        . 例)  CO2  :  고체(드라이아이스)  -(실온)→  기체  [승화]


5. 포화점 (Saturation Point)순수물질이,  변화하는 상태 점

  ㅇ 포화 온도 (Saturation Temperature)
     - 주어진 압력에서, 순수물질 변화하는 온도녹는점, 끓는점 참조
     * 물질 종류 마다, 녹는점,끓는점이 다르므로, 이에의해 물질의 구분이 가능

  ㅇ 포화 압력 (Saturation Pressure)
     - 주어진 온도에서, 순수물질 변화하는 압력

  ※ [참고] ☞ 과냉각 액체, 압축 액체, 포화 액체, 과열 증기 참조


6. 임계점 (Critical Point)순수물질이, 압력이 매우 높을 때, 포화 액체포화 증기 상태가 일치하는 (동일한) 점

  ㅇ 임계점에서의,
     - 온도를, 임계 온도  
        . 例) 물 : 373.95 ℃, 헬륨 : -267.85 ℃
     - 압력을, 임계 압력  
        . 例) 물 : 22.06 MPa, 헬륨 : 0.23 MPa
        . 임계 압력 이상에서는 (초 임계 압력), 분명한 상 변화 과정이 없이, 
        . 즉, 증기상,액체상 공존 없이 오직 한 개의 상 만이 나타나며, 밀도가 연속적으로 변함 
        . 통상, 임계 온도 이하는, 압축 액체, 임계 온도 이상은, 과열 증기 라고 칭함
     - 비체적을, 임계 비체적 이라고 함  
        . 例) 물 : 0.003106 ㎥/㎏, 헬륨 : 0.01444 ㎥/㎏


7. 삼중점 (Triple Point)순수물질에서, 고체상,액체상,기체상이 동시에 상평형을 이루며 공존
     - 例) 수소 (-259 ℃, 7.194 kPa), 이산화탄소 (-56.4 ℃, 520.8 kPa),  (0.01 ℃, 0.6113 kPa)
     * (대기와 격리된 밀폐 용기에서 측정됨)

  ㅇ 삼중점은, 물질 마다 서로다른 고유한 특성임

  ㅇ 또한, 다른 삼중점으로써, 
     - 2개의 고체상과 1개의 액체상 또는 2개의 고체상과 1개 기체상 또는 3개의 고체상 등도 가능


8. 2개의 상이 공존함을 보여주는 곡선

  ㅇ 순수믈질의 압력 온도 선도(P-T 선도)에서, 2개의 상이 평형 상태로 공존하는 선은,
     - 승화 곡선 (sublimation line) : 고체상과 기체상이 평형 상태로 공존
     - 융해 곡선 (fusion line) : 고체상과 액체상이 평형 상태로 공존
     - 증발 곡선 (sublimation line) : 액체상과 기체상이 평형 상태로 공존
        . 증발 곡선임계점에서 끝남
        . 임계점 이상에서는 액체상,기체상으로의 뚜렷한 변화가 일어나지 않음

     * 위 세 선이 만나는 점을, 삼중점(triple point) 이라고 함


9.  변화 중 에너지의 흡수,방출

  ※ ☞ 잠열/숨은열 (Latent Heat)
     - 변화 중 나타나는 비 감각 효과
     - 즉, 상변화 때, 온도는 변화시키지 않고, 유출입 만 하는 숨은 을 말함


10. 상 변화(전이)의 시간적 지체 현상  :  과열, 과냉각

  ㅇ 상전이가 의 경계를 지나치고도 얼마간 지체하고 나타나는 현상

  ㅇ 과열 (Superheating)
     - 액체기체로의 증발(끓음)이 얼마동안 지체하고 갑자기 증발(끓음)할 수 있는 상태

  ㅇ 과냉각 (Supercooling, Subcooling)
     - 용융체가 상전이 온도 (융점) 이하까지 냉각되어도, 상 변화를 일으키지 않는 현상
        . 어느 온도 이하의 과냉각되는 상태
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[상 변화]1. 상 변화   2. 증발,승화   3. 응축   4. 용융   5. 응고   6. 증착   7. 잠열  

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