상 (물리학)

3. 상전이

물질의 상태가 변하는 현상을 상전이라고 한다. 온도, 압력 등 외부 조건의 변화에 따라 발생한다. 철은 고체, 물은 액체, 공기는 기체라고 하지만, 이들의 상태는 온도 등의 조건에 따라 변화한다. 예를 들어, 물은 보통 액체이지만 가열하면 수증기(기체)가 되고, 냉각시키면 얼음(고체)이 된다. 이처럼 물은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 변화하며, 다른 많은 물질도 마찬가지이다. 철도 용광로에서처럼 강하게 가열하면 액체가 되고, 조건에 따라 기체로도 될 수 있다. 공기 역시 압력을 가하고 냉각시키면 액체나 고체가 될 수 있다.

그러나 모든 물질이 세 가지 상태로 변하는 것은 아니다. 설탕은 가열하면 녹아서 액체가 되지만, 더 가열하면 증기가 되지 않고 분해된다. 종이 역시 액체가 되지 않고 분해된다. 이처럼 물질에 따라 세 가지 상태로 변하는 것과 그렇지 않은 것이 있다.

고체가 액체로 변하는 것을 '용융' 또는 '융해'라 하고, 액체가 기체로 변하는 것을 '증발' 또는 '기화'라고 한다. 반대로 기체가 액체로 변하는 것을 '응결' 또는 '액화'라 하고, 액체가 고체로 되는 것을 '응고'라고 한다. 물질의 고체, 액체, 기체 상태를 '상(phase)'이라 부르기도 한다. 얼음은 물의 고체상, 수증기는 물의 기체상, 실온에서의 물은 액체상이다.

나프탈렌이나 장뇌는 가열하면 액체가 되지 않고 고체에서 바로 기체로 변하거나, 기체가 액체를 거치지 않고 바로 고체로 변하기도 하는데, 이러한 현상을 '승화'라고 한다. 아이오딘도 승화하는 성질이 있으며, 물 역시 0℃ 이하의 기온이 계속될 때 쌓인 눈이 녹지 않고 줄어드는 승화 현상을 보인다.

물질 중에는 고체가 액체로 되는 온도(녹는점)와 액체가 1기압에서 기체로 되는 온도(끓는점)가 정해져 있는 경우가 많다. 기체가 액체로 변하는 온도는 액화 온도, 액체가 고체로 변하는 온도는 어는점이라고 하는데, 녹는점과 어는점, 끓는점과 액화 온도는 각각 같다. 1기압에서 승화하는 온도는 '승화점'이라고 한다.

상전이 시에는 열(에너지)의 흡수 또는 방출이 일어난다. 예를 들어, 물이 증발할 때 증발하는 분자들이 액체의 인력을 벗어나면서 운동 에너지가 증가하는데, 이는 온도의 감소로 나타난다. 상전이를 유도하는 데 필요한 에너지는 물의 내부 열에너지에서 흡수되며, 이는 액체를 더 낮은 온도로 냉각시킨다.

3. 1. 흡열 변화

4. 상태평형 그림 (Phase Diagram)

열린 계에서는 물이 계속 증발하여 모두 없어질 때까지 변화가 계속되지만, 닫힌 계에서는 일정 온도에서 더 이상 상태 변화가 일어나지 않는다. 이때 물과 수증기는 평형 상태에 있으며, 이러한 증기를 포화 증기, 그 압력을 포화 증기압이라고 한다. 온도를 높이면 더 많은 물이 수증기로 변해 압력이 증가하고, 온도를 낮추면 수증기가 물로 변해 압력이 감소한다. 얼음과 수증기 사이에도 비슷한 관계가 성립된다. 얼음과 물은 0 °C에서 공존할 수 있지만, 압력을 가하면 얼음이 녹아 물이 되기도 한다. 즉, 얼음과 물이 공존하는 온도는 압력에 따라 달라진다. 물의 응고점(어는점) 0 °C와 끓는점 100 °C는 1기압에서의 온도이며, 압력이 증가하면 응고점은 내려가고 끓는점은 올라간다.

이러한 상태 변화와 온도, 압력의 관계를 나타낸 그래프를 상 평형 그림이라고 한다. 세로축은 압력, 가로축은 온도를 나타낸다. 그림에서 AT는 얼음과 수증기가 공존하는 조건, BT는 물과 얼음이 공존하는 조건, CT는 물과 수증기가 공존하는 조건을 나타낸다. T점(삼중점)에서는 얼음, 물, 수증기가 모두 안정하게 존재하며, 압력은 4.58mmHg, 온도는 0.0075 °C이다. 이 그래프는 공기를 고려하지 않은 상태에서의 평형을 나타낸다. 물을 천천히 냉각시키면 삼중점 이하에서도 얼지 않고 액체 상태를 유지하는 과냉각 상태가 될 수 있지만, 이는 불안정하여 작은 충격에도 쉽게 얼음으로 변한다.

5. 물질의 입자성

물질은 원자, 분자, 이온 등 작은 입자들로 구성되어 있다. 소금을 예로 들면, 소금물에서 소금 결정을 얻을 수 있는데, 이는 소금이 작은 입자로 이루어져 있음을 보여준다. 소금 결정이 규칙적인 형태를 띠는 것은 입자 배열이 규칙적이기 때문이다. 소금을 가열하면 액체가 되는데, 이는 입자들이 어느 정도 자유롭게 움직이기 때문이다. 더 가열하면 기체가 되어 자유롭게 퍼져 나가는데, 이는 입자들이 더 흩어져 자유롭게 움직이기 때문이다.^[1]

물질을 구성하는 입자에는 원자, 분자, 이온 등이 있다. 원자는 물질을 구성하는 가장 작은 입자로 생각되었지만, 현재는 더 작은 기본입자들로 구성되어 있음이 밝혀졌다. 이온은 전기를 띤 원자이며, 분자는 2개 이상의 원자가 결합한 것이다.^[1]

고체 속 입자는 규칙적으로 배열되어 조금밖에 움직일 수 없다. 그러나 가열하면 에너지를 흡수하여 활발하게 움직인다. 녹는점에서 입자는 규칙적인 배열을 무너뜨리고 자유롭게 움직이게 된다. 액체가 되면 온도가 다시 올라가 입자는 더 활발하게 움직이고, 일부는 액체 표면에서 공중으로 뛰쳐나간다. 끓는점에 이르면 입자는 서로 완전히 자유롭게 되고, 액체 내부에서도 기체 형태(거품)가 되어 액체 표면에서 뛰쳐나간다.^[1]

6. 비평형 상 (Phases out of Equilibrium)

물질의 상은 전통적으로 열적 평형 상태의 시스템에 대해 정의되지만, 양자 다체 국소화(MBL) 시스템에 대한 연구는 평형 상태가 아닌 상을 정의하기 위한 프레임워크를 제공했다. MBL 상은 결코 열적 평형에 도달하지 않으며, 국소화 보호 양자 질서라는 현상을 통해 평형 상태에서는 허용되지 않는 새로운 형태의 질서를 허용할 수 있다. 서로 다른 MBL 상 사이의 전이와 MBL과 열화(thermalizing) 상 사이의 전이는 성질이 활발히 연구되는 새로운 동적 상 전이이다.

참조

_[1] 서적 Thermodynamics and Its Applications https://archive.org/[...] Prentice-Hall 1974
_[2] 서적 Thermodynamics Courier Corporation
_[3] 서적 Equilibrium Thermodynamics Cambridge University Press
_[4] 문서 "IUPAC GOLD ''phase,'''" http://goldbook.iupa[...]
_[5] 간행물 Atkins' Physical Chemistry Oxford
_[6] 웹사이트 LibreText™ Chemistry Phases https://chem.librete[...] 2017-07-06
_[7] 서적 バーロー物理学(上) 東京化学同人
_[8] 서적 土壌学の基礎 農山漁村文化協会
_[9] 문서 "松田 ''エアロゾルの濃度,'''" http://kccn.konan-u.[...]
_[10] 서적 アトキンス物理化学要論 東京化学同人