융해

3. 융해의 기준

융해에 대한 이론적 기준 중에서는 린데만^[4]과 보른^[5] 기준이 융해 조건을 분석하는 데 가장 자주 사용된다.

고체의 온도를 녹는점까지 올리려면 열에너지가 필요하다. 또한 고체가 액체로 변하는 과정 자체에도 열에너지가 필요한데, 이는 '''융해열(잠열)'''에 의해 액체 내에 에너지가 흡수되기 때문이다.

열역학적으로, 녹는점에서 물질의 엔탈피와 엔트로피는 증가하므로 깁스 자유 에너지의 변화는 0이 된다. 녹는점은 압력에 따라 달라진다. 융해는 액체의 깁스 자유 에너지가 같은 물질로 된 고체의 깁스 자유 에너지보다 낮을 때 발생하며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

$\backslash Delta\; S\; =\; \backslash frac\; \{\backslash Delta\; H\}\; \{T\}$

여기서 $T$는 녹는점, $\backslash Delta\; S$는 융해의 엔트로피 변화, $\backslash Delta\; H$는 융해의 엔탈피 변화를 뜻한다.

융해와 반대로 액체가 고체로 변화하는 것은 응고 혹은 고화라고 하며, 일반적으로 녹는점과 응고점은 같다.

3. 1. 린데만 기준

3. 2. 보른 기준

4. 과냉각

표준 조건에서 물질의 녹는점은 특성이다. 녹는점은 종종 어는점과 같다. 그러나 신중하게 조성된 조건 하에서는 녹는점이나 어는점을 지나 과냉각 또는 과열될 수 있다. 매우 깨끗한 유리 표면의 물은 어는점보다 몇 도 낮은 온도에서 얼지 않고 과냉각되는 경우가 많다. 순수한 물의 미세한 에멀젼은 얼음을 형성하기 위한 핵 생성 없이 -38°C까지 냉각되었다. 핵 생성은 물질의 특성 변동으로 인해 발생한다. 물질이 가만히 있으면 이러한 변화를 유발할 물리적인 진동과 같은 것이 종종 없으므로 과냉각(또는 과열)이 발생할 수 있다. 열역학적으로 과냉각된 액체는 결정상에 대해 준안정 상태에 있으며 갑자기 결정화될 가능성이 있다.

5. 비정질 고체 (유리)

유리는 비정질 고체로, 용융된 물질이 규칙적인 결정 격자를 형성할 충분한 시간을 갖지 못한 채 유리 전이 온도 이하로 매우 빠르게 냉각될 때 일반적으로 제조된다. 고체는 분자 간의 높은 연결성을 특징으로 하며, 유체는 구조 블록의 연결성이 더 낮다. 고체 물질의 용융은 또한 입자 사이의 끊어진 연결(예: 결합 연결)을 통한 침투로 간주될 수 있다.^[8] 이 접근 방식에서 비정질 물질의 용융은 끊어진 결합이 특정 조건에서 주어진 시스템 내 결합 형성의 엔탈피 (''H_d'') 및 엔트로피 (''S_d'') 와 같은 콰지 평형 열역학적 매개변수에 의존하는 ''T_g''를 갖는 침투 클러스터를 형성할 때 발생한다.^[9]

:$T\_g\; =\; \backslash frac\{H\_d\}\{S\_d+\; R\; \backslash ln(\backslash frac\{1-f\_c\}\{f\_c\})\},$

여기서 ''f_c''는 침투 임계값이고 ''R''은 보편 기체 상수이다.

''H_d''와 ''S_d''는 실제 평형 열역학적 매개변수가 아니며 용융의 냉각 속도에 따라 달라질 수 있지만, 비정질 물질의 점도에 대한 사용 가능한 실험 데이터에서 찾을 수 있다.

융점 이하에서도 준 액체 막이 결정 표면에서 관찰될 수 있다. 막의 두께는 온도에 따라 달라진다. 이 효과는 모든 결정질 물질에 일반적이다. 이 용융 전 현상은 예를 들어 서릿발, 눈송이의 성장, 그리고 입자 경계면을 고려하여 빙하의 이동에서도 그 효과를 나타낸다.

6. 초단 펄스 물리학에서의 융해

초단 펄스 물리학에서, 소위 비열적 융해가 일어날 수 있다. 이는 원자 운동 에너지의 증가 때문이 아니라 전자의 여기로 인한 원자간 전위의 변화 때문에 발생한다. 전자는 원자를 함께 붙이는 접착제처럼 작용하기 때문에, 펨토초 레이저로 전자를 가열하면 이 "접착제"의 특성이 바뀌어 원자 온도의 증가 없이도 물질의 결합을 끊고 융해시킬 수 있다.^[10]

7. 생체 고분자의 융해

유전학에서, DNA의 융해는 가열, 화학 약품 처리, 중합 효소 연쇄 반응을 사용하여 이중 가닥 DNA를 두 개의 단일 가닥으로 분리하는 것을 의미한다.^[10] 이 의미에서 파생되어, 펩타이드나 핵산 등 특정 2차 구조를 가진 생체 고분자에서, 어떤 온도까지 가열하면 그 2차 구조가 풀릴 때, 그 온도를 융해 온도(''T''_m)라고 부른다.^[10]

8. 응고

액체가 고체로 변화하는 것은 응고 혹은 고화라고 하며, 일반적으로 녹는점과 응고점은 같다.

9. 관련 개념

고체의 온도를 녹는점까지 상승시키기 위해서는 열에너지가 필요하다. 게다가 고체가 액체로 변화하는 과정 자체에도 열에너지가 필요한데, 이는 '''융해열(잠열)'''에 의해 액체 그 자체 내에 에너지가 흡수되기 때문이다.

열역학적으로, 녹는점에서는 물질의 엔탈피와 엔트로피가 증대하므로, 깁스 자유 에너지의 변화는 0이 된다. 녹는점은 압력에 따라 변화한다. 융해는 액체의 깁스 자유 에너지가 같은 물질로 구성된 고체의 깁스 자유 에너지보다 낮을 때 발생하며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:$\backslash Delta\; S\; =\; \backslash frac\; \{\backslash Delta\; H\}\; \{T\}$

:$T$는 녹는점, $\backslash Delta\; S$는 융해의 엔트로피 변화, $\backslash Delta\; H$는 융해의 엔탈피 변화를 나타낸다.

융해와 반대로 액체가 고체로 변화하는 것은 응고 혹은 고화라고 하며, 일반적으로 녹는점과 응고점은 같다.

위의 의미에서 파생되어, 펩타이드나 핵산 등 특정 2차 구조를 가진 생체 고분자에서, 어떤 온도까지 가열하면 그 2차 구조가 풀릴 때, 그 온도를 융해 온도(''T''_m)라고 부른다.

참조

_[1] 논문 The rheology of liquid elemental sulfur across the λ-transition Society of Rheology
_[2] 서적 Chemical Principles: The Quest for Insight W. H. Freeman and Company
_[3] 서적 Chemical Thermodynamics: Advanced Applications Academic Press
_[4] 논문 Über die Berechnung molekularer Eigenfrequenzen https://babel.hathit[...]
_[5] 논문 Thermodynamics of Crystals and Melting AIP Publishing
_[6] 서적 Advances in Chemical Physics John Wiley & Sons 2008-02-15
_[7] 뉴스 Materials science: Melting from Within http://www.nature.co[...] Nature 2001
_[8] 논문 Theory of melting and the optical properties of gold/DNA nanocomposites American Physical Society (APS) 2003-06-11
_[9] 논문 Connectivity and glass transition in disordered oxide systems Elsevier BV
_[10] 논문 Thermal and nonthermal melting of silicon under femtosecond x-ray irradiation