위상(물질)

Phase (matter)

물리과학에서 위상은 공간의 영역(열역학계)이며, 그 전체에서 물질의 모든 물리적 성질은 본질적으로 균일하다.[1][2]: 86 [3]: 3 물리적 성질의 예로는 밀도, 굴절률, 자기화 및 화학적 조성이 있다.간단한 설명은 한 단계가 화학적으로 균일하고, 물리적으로 구별되며, (흔히) 기계적으로 분리할 수 있는 물질의 영역이라는 것이다.유리 항아리에 얼음과 물로 구성된 계통에서 얼음은 1상, 물은 2상, 습한 공기는 얼음과 물 위에 3상이다.항아리의 유리는 또 다른 별개의 단계다.(물질 상태 § 유리 참조)

단계라는 용어는 때로 물질 상태의 동의어로 쓰이기도 하지만, 같은 물질 상태의 몇 가지 불변의 단계가 있을 수 있다.또한 위상이라는 용어는 위상 다이어그램위상 경계로 압력 및 온도 등의 상태 변수에 따라 구분된 일련의 평형 상태를 가리키는 데 사용된다.위상 경계는 액체에서 고체로의 변화나 결정 구조에서 다른 것으로의 보다 미묘한 변화 등 물질 조직의 변화와 관련되기 때문에, 이 후자의 사용은 물질 상태의 동의어로 "위상"을 사용하는 것과 유사하다.그러나 물질의 상태와 위상 다이어그램 사용법은 위에서 주어진 형식적 정의에 부합하지 않으며 용어가 사용되는 맥락에서 의도된 의미를 부분적으로 결정해야 한다.

빠르게 녹는 아르곤 얼음의 작은 조각은 고체에서 액체로의 변화를 보여준다.

단계 유형

다른 위상을 형성하는 데 필요한 조건을 보여주는 철탄소 위상 다이어그램

구별되는 단계는 가스, 액체, 고체, 플라즈마 또는 보스-아인슈타인 응축물과 같은 물질의 다른 상태로 설명될 수 있다.고체와 액체 사이에 있는 유용한 중간 성분은 물질의 다른 상태를 형성한다.

특정 물질 상태 내에 구별되는 단계도 존재할 수 있다.철 합금에 대한 도표에서 볼 수 있듯이, 고체 상태와 액체 상태 모두에 대해 몇 가지 위상이 존재한다.위상은 극(수체) 또는 비극(수체공포증)에서와 같이 용해성에 기초하여 구별할 수도 있다.물(극성 액체)과 기름(극성이 아닌 액체)의 혼합물은 자연적으로 두 단계로 분리된다.물은 기름에서 용해성이 매우 낮고(불용성) 기름은 물에 용해성이 낮다.용해도는 용해물이 용해되기 전에 용해될 수 있는 용해제의 최대량을 말하며, 용해도가 용해되지 않고 별도의 단계로 유지된다.혼합물은 세 개 이상의 액체 단계로 분리될 수 있고 위상 분리의 개념은 고체로 확장된다. 즉, 고체는 고체 용액을 형성하거나 뚜렷한 결정 단계로 결정화될 수 있다.서로 용해되는 금속 쌍은 합금을 형성할 수 있지만, 서로 용해되지 않는 금속 쌍은 합금을 형성할 수 없다.

무려 8개의 불변의 액체 단계가 관찰되었다.[a]상호 불변의 액체 단계는 물(수분상), 소수성 유기 용매, 과불화탄소(불화상), 규실론, 여러 다른 금속, 그리고 녹은 인으로부터 형성된다.모든 유기 용제가 완전히 잘못 가능한 것은 아니다. 를 들어 에틸렌 글리콜과 톨루엔의 혼합물이 두 개의 뚜렷한 유기 단계로 분리될 수 있다.[b]

위상은 자연적으로 거시적으로 분리할 필요가 없다.유화체콜로이드들은 물리적으로 분리되지 않는 불규칙한 위상 쌍의 조합의 예들이다.

위상 평형

등진동까지 남겨두면 많은 구성물이 일률적인 단상을 형성하게 되지만, 온도와 압력에 따라 한 가지 물질이라도 둘 이상의 구별되는 단계로 분리될 수 있다.각 페이즈 내에서 속성은 균일하지만 두 페이즈 사이의 속성은 다르다.

밀폐된 항아리에 공기공간이 있는 물은 2상계를 형성한다.물의 대부분은 액체 단계에 있으며, 물 분자의 상호 끌어당김에 의해 유지된다.평형 분자에서도 끊임없이 움직이고 있으며, 액상 속의 분자는 액상으로부터 분리되어 기체 단계로 진입할 수 있을 정도의 운동에너지를 얻기도 한다.마찬가지로 이따금씩 증기 분자가 액체 표면과 충돌하여 액체로 응축된다.평형상태에서 증발과 응축은 정확히 균형을 이루며 어느 상이든 부피에 순변화는 없다.

상온과 압력에서 물 항아리는 물 위의 공기가 약 3%의 습도를 가질 때 평형에 도달한다.이 비율은 온도가 올라갈수록 증가한다.100 °C와 대기압에서는 공기가 100% 물이 될 때까지 평형에 도달하지 않는다.만약 액체가 100 °C 조금 넘게 가열된다면, 액체에서 기체로 전환은 표면뿐만 아니라 액체 부피 전체에 걸쳐 일어날 것이다: 물은 끓는다.

위상수

고체, 액체 및 기체 단계를 나타내는 단일 구성 요소 재료의 일반적인 위상 다이어그램.고체 녹색 선은 액체-고체 위상 선의 일반적인 모양을 보여준다.녹색 점선은 압력이 증가할 때 물의 비정상적인 행동을 나타낸다.삼중점임계점은 빨간 점으로 표시된다.

주어진 구성의 경우 주어진 온도 및 압력에서 특정 단계만 가능하다.형성될 위상의 수와 유형은 예측하기 어렵고 대개 실험에 의해 결정된다.그러한 실험의 결과는 위상 다이어그램에 표시될 수 있다.

여기에 표시된 위상 다이어그램은 단일 구성 요소 시스템에 대한 것이다.이 간단한 시스템에서 가능한 단계는 압력온도에만 의존한다.이 표시는 두 개 이상의 위상이 평형에서 공존할 수 있는 지점을 보여준다.표시에서 멀리 떨어진 온도와 압력에서는 평형 상태에서 단 한 단계만 존재할 것이다.

도표에서 액체와 기체의 경계를 표시하는 파란색 선은 무한정 지속되지 않고 임계점이라는 지점에서 종단된다.온도와 압력이 임계점에 가까워질수록 액체와 가스의 성질은 점차적으로 유사해진다.임계점에서는 액체와 가스를 분간할 수 없게 된다.임계점 위로는 더 이상 별도의 액상 및 가스 단계가 없다. 즉, 초임계 액체로 언급되는 일반적인 액상만 있을 뿐이다.물에서 임계점은 약 647 K(374 °C 또는 705 °F)와 22.064 MPa에서 발생한다.

물 위상 다이어그램의 특이한 특징은 고체-액체 위상 라인(점선 녹색 선으로 표시)이 음의 기울기를 갖는다는 것이다.대부분의 물질에 대해, 그 경사는 짙은 녹색 선으로 예시된 것처럼 긍정적이다.물의 이 특이한 특징은 얼음의 밀도가 액체 물보다 낮다는 것과 관련이 있다.압력을 증가시키면 더 높은 밀도 단계로 물이 들어가 녹게 된다.

위상 다이어그램의 또 다른 흥미로운 특징은 고체-액체 위상선이 액체-가스 위상선과 만나는 점이다.그 교차점을 삼점이라고 한다.3상점에서는 3상 모두가 공존할 수 있다.

실험적으로 위상선은 여러 위상이 형성될 때 발생하는 온도와 압력의 상호의존성 때문에 상대적으로 매핑이 쉽다.깁스의 단계 규칙을 보라.피스톤이 장착된 닫히고 잘 절연된 실린더로 구성된 시험 기구를 고려한다.온도와 압력을 제어함으로써 위상 다이어그램의 어느 지점에도 시스템을 가져올 수 있다.고체 안정성 영역(도표 왼쪽)의 한 지점에서 시스템의 온도를 증가시키면 액체나 기체가 평형 단계인 영역(압력에 따라 다름)으로 들어가게 된다.피스톤이 천천히 낮아지면 시스템은 위상 다이어그램의 가스 영역 내에서 온도 및 압력이 증가하는 곡선을 추적한다.가스가 액체로 응축되기 시작하는 지점에서 온도와 압력곡선의 방향은 모든 물이 응축될 때까지 위상선을 따라 추적하도록 갑자기 바뀌게 된다.

계면현상

평형상태의 두 단계 사이에는 좁은 지역이 있는데, 두 단계의 속성이 아니다.이 지역은 매우 얇을 수 있지만 액체가 표면 장력을 나타내도록 하는 등 유의하고 쉽게 관측할 수 있는 효과를 가질 수 있다.혼합물의 경우, 일부 구성요소는 우선적으로 인터페이스 쪽으로 이동할 수 있다.특정 시스템의 동작을 모델링, 기술 또는 이해한다는 측면에서 인터페이스 영역을 별도의 단계로 처리하는 것이 효과적일 수 있다.

크리스털 페이즈

단일 물질은 별도의 위상을 형성할 수 있는 몇 가지 뚜렷한 고체 상태를 가질 수 있다.물은 그런 물질의 잘 알려진 예다.예를 들어, 물 얼음은 일반적으로 육각형 얼음 I에서h 발견되지만, 입방 얼음c I, 회전 얼음 II 및 다른 많은 형태로도 존재할 수 있다.다형성(多形性)은 한 가지 이상의 결정 형태로 존재하는 고체의 능력이다.순수한 화학 원소의 경우, 다형성은 할당증이라고 알려져 있다.예를 들어, 다이아몬드, 흑연, 풀렌탄소의 다른 할당이다.

위상 전환

물질이 상이전( 물질 상태에서 다른 물질로 변화)을 겪을 때, 물질은 대개 에너지를 차지하거나 방출한다.예를 들어, 물이 증발할 때, 증발하는 분자가 액체의 매력적인 힘을 탈출함에 따라 운동 에너지의 증가는 온도 저하에 반영된다.위상전환을 유도하는 데 필요한 에너지는 물의 내부 열에너지로부터 취하여 액체를 낮은 온도로 냉각시키기 때문에 증발은 냉각에 유용하다.기화 엔탈피를 참조하십시오.역방향 과정인 응축은 열을 방출한다.고체에서 액체로의 전환과 관련된 열 에너지 또는 엔탈피는 핵융합 엔탈피이고 고체에서 가스로의 전환과 관련된 엔탈피는 승화의 엔탈피이다.

단계별 평형 이탈

물질의 단계가 열 평형 시스템에 대해 전통적으로 정의되지만, 양자 다체 국부화(MBL) 시스템에 대한 연구는 평형에서 벗어난 위상을 정의하기 위한 프레임워크를 제공했다.MBL 단계는 열 평형에 도달하지 않으며, 국산화 보호 양자질서로 알려진 현상을 통해 평형에서 허용되지 않는 새로운 형태의 질서를 허용할 수 있다.다른 MBL 위상 간의 전환과 MBL과 열화 단계 간의 전환은 새로운 동적 위상 전환이며, 그 속성은 연구의 활성 영역이다.

메모들

  1. ^ 그러한 시스템 중 하나는, 위에서부터 광유, 실리콘 오일, , 아닐린, 과불화로(디메틸사이클로헥산), 백인, 갈륨, 수은이다.이 계통은 갈륨과 인이 용융 상태에 있는 45°C에서 무한히 분리되어 있다.보낸 사람Reichardt, C. (2006). Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry. Wiley-VCH. pp. 9–10. ISBN 978-3-527-60567-5.
  2. ^ 이 현상은 헥 비닐화에서 촉매재활용을 돕는 데 이용될 수 있다.참조

참조

  1. ^ Modell, Michael; Robert C. Reid (1974). Thermodynamics and Its Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 978-0-13-914861-3.
  2. ^ Enrico Fermi (25 April 2012). Thermodynamics. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-13485-7.
  3. ^ Clement John Adkins (14 July 1983). Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-27456-2.

외부 링크