1. 상 변화 (Phase Change), 상 전이 (Phase Transition)
ㅇ [일반] 어떤 현상이 임계 값(조건) 전후로 크게 달라지는 현상
ㅇ [열역학] 순수물질이 조건에 따라, 이 상에서 저 상으로 변화되는 열역학적 과정
- 순수물질에서 온도,압력에 따라 발생되는 물리적 변화
. 통상, 친숙한 물이 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 상 변화
ㅇ 액체 → 기체 : 증발 (Evaporation)
ㅇ 기체 → 액체 : 응축 (Condensation) / 액화 (Liquefaction)
ㅇ 고체 → 액체 : 용융 (Melting)
ㅇ 액체 → 고체 : 응고 (Solidification) / 얼음 (Cooling)
ㅇ 고체 → 기체 : 승화 (Sublimation)
ㅇ 기체 → 고체 : 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 특징들
ㅇ 어는점 (용융점) : 특정 압력에서, 고체 - 액체 변화가 일어나는 온도
ㅇ 끓는점 : 특정 압력에서, 액체 - 기체 변화가 일어나는 온도
ㅇ 승화점 : 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 온도와 압력
ㅇ 임계점 : 매우 높은 압력에서, 포화 액체와 포화 증기 상태가 동일한(일치하는) 점
ㅇ 증기압 : 특정 온도에서, 액체이거나 증기가 되는 (끓게되는), 특별한 압력
ㅇ 초 임계 유체 : 임계 압력과 임계 온도 이상의 상태
ㅇ 압력이 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 상 변화를 살필 수 있는 선도 : 상 선도 (Phase Diagram)
- 상 변화 과정 동안에 상태량(온도,압력,체적)을 변화시키며, 상 변화를 살필 수 있는 선도
- 상 선도에서, 온도,압력이 변함에 따라, 상 경계를 가로지르며, 상 변화를 살필 수 있음
. 例) H2O : 고체(얼음) -(가열)→ 액체(물) [용융]
. 例) CO2 : 고체(드라이아이스) -(실온)→ 기체 [승화]
5. 포화점 (Saturation Point)
ㅇ 순수물질이, 상 변화하는 상태 점
ㅇ 포화 온도 (Saturation Temperature)
- 주어진 압력에서, 순수물질이 상 변화하는 온도 ☞ 녹는점, 끓는점 참조
* 물질 종류 마다, 녹는점,끓는점이 다르므로, 이에의해 물질의 구분이 가능
ㅇ 포화 압력 (Saturation Pressure)
- 주어진 온도에서, 순수물질이 상 변화하는 압력
※ [참고] ☞ 과냉각 액체, 압축 액체, 포화 액체, 과열 증기 참조
6. 임계점 (Critical Point)
ㅇ 순수물질이, 압력이 매우 높을 때, 포화 액체와 포화 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)
ㅇ 순수물질에서, 고체상,액체상,기체상이 동시에 상평형을 이루며 공존
- 例) 수소 (-259 ℃, 7.194 kPa), 이산화탄소 (-56.4 ℃, 520.8 kPa), 물 (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 곡선은 임계점에서 끝남
. 임계점 이상에서는 액체상,기체상으로의 뚜렷한 변화가 일어나지 않음
* 위 세 선이 만나는 점을, 삼중점(triple point) 이라고 함
9. 상 변화 중 에너지의 흡수,방출
※ ☞ 잠열/숨은열 (Latent Heat)
- 상변화 중 나타나는 비 감각적 열 효과
- 즉, 상변화 때, 계의 온도는 변화시키지 않고, 유출입 만 하는 숨은 열을 말함
10. 상 변화(상전이)의 시간적 지체 현상 : 과열, 과냉각
ㅇ 상전이가 상의 경계를 지나치고도 얼마간 지체하고 나타나는 현상
ㅇ 과열 (Superheating)
- 액체가 기체로의 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