물질의 상전이 동안의 에너지 변화

1. 고체의 가열

어떤 물질을 가열하여 얻은 가열 곡선에 대해 알아봅시다.
[ConFer]
물질에 지속적으로 열을 가하면 가열 곡선(heating curve)을 얻을 수 있습니다.
물질의 몰열용량($ C_{m}$)은 물질 1 $ mol$의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량입니다.

어는점 이하의 온도에서 어는점이 될 때까지 가열합니다. 가열하는데 드는 에너지의 양은 고체 상태의 몰 열용량($ C_{m}[J/mol\cdot ℃]$)$ \times\Delta T$를 통해 계산합니다. 이때, $ Delta T$는 온도 변화를 의미합니다.

2. 고체의 용융

녹는점(melting point)에 도달한 이후, 추가적으로 가한 열은 온도를 올리는 데 사용되지 않고, 분자간 힘을 끊는 데 사용합니다. 이는 어는점에 도달한 이후 평평한 부분이 나타나는 것을 통해 알 수 있습니다. 고체 물질을 이루던 분자들이 본래 정해진 위치에서 벗어나 액체 상으로 바뀝니다. 분자간 힘을 극복하여 고체가 액체로 전환되기 위해 필요한 에너지의 양을 용융 엔탈피(enthalpy of fusion) 또는 용융열(heat of fusion, $ \Delta H_{fus}$)이라고 합니다.

3. 액체의 가열

액체 상태가 되고 지속적으로 열을 가하면 끓는점까지 온도가 상승하고, 이때 필요한 에너지의 양은 액체 상태의 몰 열용량($ C_{m}[J/mol\cdot ℃]$)$ \times\Delta T$를 통해 계산합니다.

4. 액체의 증발

끓는점(boiling point)에 도달한 이후에 추가적으로 가한 열은 온도를 올리는데 사용되지 않고 분자간 힘을 극복하는데 사용됩니다. 이 온도에서는 액체와 기체가 평형을 이루며 공존하고, 액체의 표면의 분자들이 떨어져 나와 기체상으로 들어갑니다. 액체가 기체로 전환되기 위해 필요한 에너지의 양을 증발 엔탈피(enthalpy of vaporization) 또는 증발열(heat of vaporization, $ \Delta H_{vap}$)이라고 합니다.

5. 기체의 가열

액체가 완전히 기체로 증발된 후에만 온도가 다시 올라갑니다. 기체 상태의 몰 열용량($ C_{m}[J/mol\cdot ℃]$)$ \times\Delta T$를 통해 계산합니다.

고체 상태의 물질을 기체 상태로 변화시키는데 필요한 에너지 중 대부분이 증발에 사용됩니다. 용융 과정에는 상대적으로 작은 분자간 힘을 극복하면 되므로 적은 수의 결합을 끊는 것으로 충분하지만, 증발이 일어나기 위해서는 모든 분자간 힘이 끊어져야 하므로 화합물의 증발열을 용융열보다 항상 큽니다.

물질의 한 상은 온도와 압력에 따라 다른 두 상 중 하나로 자발적으로 변할 수 있습니다. 공기가 없는 닫힌계에서 순수한 물질의 압력과 온도 의존성은 상도표(phase diagram)를 통해 알 수 있습니다. 상도표에서는 여러 압력과 온도의 조합을 통해 안정된 상이 무엇인지 알 수 있습니다. 상도표의 상과 상 사이의 경계선을 지날 때, 상변화가 일어납니다.

삼중점(triple point)이라고 부르는 세 선의 교차점은 세 개의 상이 평형을 이루며 공존하는 점이며, 물질마다 고유한 압력과 온도의 조합이 정해져 있습니다. 즉 고체, 액체, 기체가 평형을 이루며 공존하게 됩니다.

액체와 기체의 경계선을 따라가면 그래프가 갑자기 끊기는 임계점(critical point)에 도달합니다. 임계온도 $ T_{c}$는 아무리 압력을 높여도 기체가 액화될 수 없는 온도이며, 임계압력 $ P_{c}$는 아무리 온도를 높여도 액체가 증발될 수 없는 압력입니다.

임계점에 있는 기체는 매우 높은 압력 아래서 분자들이 아주 가깝게 압축되므로 거의 액체와 같고, 임계점에 있는 액체 또한 매우 높은 온도에서 분자들이 서로 충분히 떨어져 있어 거의 기체와 같게 됩니다. 따라서 두 상은 같게 되고 진정한 액체도, 진정한 기체도 아닌 초임계 유체(supercritical fluid)를 형성하고, 임계점을 넘어서면 뚜렷한 물리적 상변화가 일어나지 않습니다.