23. 상평형

열역학

PART 23. 상평형 Phase Equilibrium

서로 다른 상이 인접해있고, 그 상들 사이에 물질의 이동이 없는 상태를 말한다.

상의 종류에는 기체, 액체, 고체가 존재

이 상들이 공존하는 경우가 많다.(기-액, 액-액, 고-액...)

EX)

기-액 평형 : 1bar, 100℃ 하 물이 액체-증기 상태로 공존

액-액 평형 : 물-식용유, 아주 소량씩 서로 녹아있음, 포화시에 두 물질 이동 X (=상평형)

고-액 평형 : 물에 과량의 소금을 투입 했을 때 발생, 녹을 수 있는 양보다 많으면 고체 소금상이 공존

두 개 이상의 상이 공존하는 경우가 존재한다.

물-식용유-윗 부분에 빈 공간

온도를 높이면, 유기성분과 물의 일부가 기화 공간을 채우게 되며,

온도가 유지되면, 한 개의 기상이 두 개의 액상과 평형 상태에 존재

이때, 기-액, 액-액 경계면 두 개가 생긴다.

세 개의 상이 평형에 도달한 것은 이 경계면들을 통한 물질의 이동이 X

즉, 각 상의 조성이 시간에 따라 변화 X

그러면 각 상의 조성은 어떤 상태에 있게 되는가?

열역학에서 상평형 현상을 연구하는 최종적인 목적은

평형 상태에 있는 각 상의 조성을 구하고, 그 조성이 온도와 압력의 변화에 따라 어떻게 변화하는가를 규명하는 것이다.

특히 기-액을 자주 다룬다.

기-액 두 상이 평형에 있을 때, 두 상의 조성을 구하는 것이다.

순수한 액-기 평형에 존재 할 때, 각 상의 조성은?

1bar, 100℃ 순수한 물이 기화하여 기-액 공존하는 평형상태에 도달한다.

기상이나 액상이나 순수 물만 존재하여 각 상의 조성은 100% 이처럼 순수 물질은 문제가 되지 않는다.

혼합물이 상평형일 경우 각 상의 조성을 구하는 일이 간단 하지 않다.

EX)

물과 에탄올 혼합물 0.5몰씩 1몰의 혼합물이 액체로 존재, 이때 몰분율을 0.5//0.5

여기서 온도를 올려 기화 시켜 T, P 일정 유지

아래 그림 같이 기-액 평형 상태

기-액 각각 조성은?

기상,액상 마찬가지로 0.5-0.5 (X)

반반씩 있더라도 그 중 기화하는 분율은 물과 에탄올이 서로 다르다.

다시말해, 물과 에탄올의 휘발도가 다르다.

에탄올이 물보다 기화 경향이 크다.

 기상에서 에탄올이 물 보다 크다.

물은 휘발도가 ↓ 그래서 액상으로 남으려한다.

이같이, 각 상의 조성을 구하려면 휘발도를 알아야한다.

But, 순수상태-혼합상태에 따라 휘발도가 다르고 혼합된 성분의 종류, 농도에 따라 변화한다.

그러므로, 휘발도를 구하기 위해서는 물성과 다른 성분과의 상호 작용 정보로 알아야한다.

위 그림처럼 에탄올, 물을 1,2 성분이라고하고, 액상의 조성을 x, 기상의 조성을 y라 한다.

, 는 항상 성립

즉, 휘발도에 따라 조성이 다르다.

휘발도가 크면 기상에서, 작으면 액상에서 모인다.(농축)

이같이, 휘발도가 상이한 두 성분이 섞인 혼합물을 기-액으로 나누면,

휘발도에 따라 특정성분을 보다 순수한 상태로 분리하는 효과를 얻음 → 증류의 원리

상평형이 중요하다.

∵ 다양한 혼합물에 대한 상평형 데이터

즉, 평형의 각 상의 조성값이 분리공정(⊃증류)을 설계하는데 기초자료로 사용된다.

따라서, 열역학의 주된 과제는 상평형 자료를 이론적 계산에 의해 구하는 것이다.

즉, 각 상의 조성 값을 이론적 식에 의해 계산해야한다.

이 계산에 필요한 것이 잠재에너지, 퓨개시티, 활동도 등이다.