얼음이 녹는 온도와 물이 끓는 온도는 압력에 따라 달라진다. 상평형은 주어진 온도와 압력에서 어떤 상이 안정한지, 조건을 바꾸면 어느 경계에서 다른 상으로 넘어가는지를 다룬다. 상평형도는 이 관계를 온도와 압력 축 위에 그린 지도다.[1][2]

이 그림 하나로 산에서 물이 낮은 온도에 끓는 까닭, 드라이아이스가 액체를 거치지 않고 기체가 되는 이유를 이해할 수 있다. 각 영역은 안정한 상을, 경계선은 두 상이 평형을 이루는 조건을 나타낸다.[1]

1. 상평형과 상평형도의 의미

상은 조성은 같지만 물리적 상태와 성질이 균일한 부분이다. 얼음과 액체 물은 같은 물질이지만 서로 다른 상이다. 상평형에서는 둘 이상의 상이 함께 존재하고 거시적인 변화가 없다. 미시적으로 증발과 응축이 계속되어도 두 변화가 균형을 이루면 전체 양은 일정하다.[2]

순물질의 상평형도는 보통 세로축에 압력, 가로축에 온도를 둔다. 영역 안에서는 한 상이 안정하고 경계선 위에서는 두 상이 공존할 수 있다. 실제 혼합물은 조성에 따라 경계가 달라질 수 있으므로 기본 상평형도는 순물질의 거동을 보여주는 모델이다.[1] 상태 변화의 기초는 일반화학에서, 온도에 따른 녹는점 변화는 별도 문서에서 이어 볼 수 있다.

2. 상평형도의 세 경계선

고체와 기체 사이의 승화 곡선에서는 승화와 증착이 평형을 이룬다. 고체와 액체 사이의 융해 곡선은 녹음과 어는 조건을, 액체와 기체 사이의 기화 곡선은 증발과 응축 조건을 나타낸다. 경계 양쪽의 안정한 상이 다르므로 선을 통과하면 상전이가 일어난다.[1][3]

압력을 일정하게 두고 가열하면 그림을 가로질러 녹는점과 끓는점을 만날 수 있다. 온도를 고정하고 압력을 바꾸면 압축·감압에 따른 상 변화를 읽는다. 경계에서는 두 상의 열역학적 안정성이 같으며, 평형 상태의 증기압도 기화 곡선 위에서 온도에 대응하는 값으로 읽을 수 있다.[1][2]

3. 삼중점과 임계점

세 경계선이 만나는 삼중점에서는 고체·액체·기체가 함께 평형을 이룬다. 특정 순물질에서 이는 하나의 온도와 압력 조합이지, 세 상태가 어떤 조건에서나 함께 나타난다는 뜻은 아니다.[1][3]

기화 곡선은 임계점에서 끝난다. 그보다 높은 온도와 압력에서는 액체와 기체의 구분을 만드는 경계가 사라져 초임계 유체가 된다. 이를 액체와 기체가 반씩 섞인 상태로 보는 것은 부정확하다. 두 상의 경계가 없는 단일 유체 영역이다.[1] 입자 배열의 차이는 분자구조와도 연결해 생각할 수 있다.

4. 물과 이산화탄소의 차이

물의 고체–액체 경계는 압력이 높아질수록 녹는 온도가 내려가는 기울기를 보인다. 얼음이 액체 물보다 밀도가 낮아 녹을 때 부피가 줄기 때문에 압력은 부피가 작은 액체 쪽을 유리하게 한다. 이는 모든 물질의 융해선에 적용되는 보편적 방향은 아니다.[1][3]

이산화탄소는 대기압에서 액체가 안정한 영역이 없어 드라이아이스가 가열되면 승화한다. 압력을 높여 삼중점 조건을 넘으면 액체 이산화탄소가 존재할 수 있다. 고체를 가열하면 항상 액체가 된다는 설명에서 압력 조건이 빠져 있음을 보여주는 사례다.[1][3]

5. 상평형도를 읽는 순서와 한계

현재 온도와 압력을 점으로 표시한 뒤 고정할 조건을 정하고, 바꾸려는 축 방향으로 이동해 경계선을 찾는다. 일정한 압력에서 고체 영역에서 융해선을 지나면 액체가 안정해지고, 기화 곡선을 지나면 기체가 안정해진다. 경계 위에서는 두 상이 공존할 수 있다.[1]

상평형도는 평형 조건을 보여주지만 변화 속도나 실제 시료의 미세 구조까지 알려주지는 않는다. 빠른 냉각에서는 평형 결정 대신 과냉각 액체나 유리가 남을 수 있고, 혼합물은 조성에 따라 더 복잡한 경계를 만든다. 실제 공정에서는 조성과 시간, 가열·냉각 이력도 고려해야 한다.[2]

6. 초임계 유체의 활용

임계점 위의 초임계 유체는 온도와 압력에 따라 밀도와 용해력이 달라져 추출 공정 등에 활용된다. 한국화학관련학회연합회 매체의 교육·응용 글은 초임계 이산화탄소를 이용한 커피 카페인 추출을 사례로 든다. 다만 모든 용질을 잘 녹이거나 모든 추출에 적합하다는 뜻은 아니며, 용질과 유체의 상호작용 및 운전 조건에 따라 결과가 달라진다.[4] 용해 과정은 용해성과 관계된다.

상평형은 열역학의 안정성, 상전이의 경로와 연결된다. 상평형도는 상이 바뀌는 조건을 요약하지만 변화 속도와 조성 효과는 별도로 살펴야 한다.[1][2]

7. 관련 문서

8. 인용 및 각주

[1] Chemistry 2e, 10.4 Phase Diagrams, OpenStax, Oopenstax.org(새 탭에서 열림)

[2] Chemistry 2e, 10.3 Phase Transitions, OpenStax, Oopenstax.org(새 탭에서 열림)

[3] 4-1-4. 상평형, 사이버스쿨, Wwww.cyberschool.co.kr(새 탭에서 열림)

[4] 상평형 그림에 산업의 활용을 더하여, 화학세계, Cchemworld.kcsnet.or.kr(새 탭에서 열림)