24. 안정/불안정/준안정

열역학

PART 24. 안정/불안정/준안정 Stable/Unstable/Metastable

어떤 물질이(기체, 액체든) 하나의 단일 상으로 존재하고,

일정 T, P에서 다른 상으로 변화하지 X

그 상을 안정된(Stable) 상태에 있다고 한다.

EX)

식탁 위 물컵의 물, 시약병에 보관된 에탄올

이 액체들은 시간이 경과하거나 진동이나 충격과 같은 외부에서 작용하는 물리적 변화가 가해져도 액체로 존재

그 상은 안정된 상태에 있다고 한다.

방 안의 공기, 고무 풍선 속 수소는 안정된 기체상

우리 생활 주변에서 관찰 할 수 있는 기, 액은 모두 안정된 상태이다.

상이 불안정(Unstable) 한 것은?

기,액 상이 안정된 상태에서 존재하지 못하다는 것을 의미한다.

즉시, 다른 형태의 상으로 변화한다.

EX)

액체 물이 100℃ 비등점에 도달하면 불안정해짐

액체 상태 물분자들이 가까이 있기를 거부하고 서로 멀리 달아남

즉, 에너지 레벨이 높아져 불안정한 상태가 된다.

따라서, 물분자끼리 자연스럽게 멀어진다(=기화현상)

반대로, 0℃↓ 액체 물이 불안정해져서 고체로 존재한다.

하나의 안정된 단일상 다른 종류의 안정된 단일상

이같이 상이 불안정해진다는 것은 상이 그 상태로 존재하기 힘들다는 것을 의미한다.

따라서, 상이 불안정해지면 다른 종류의 상으로 변화한다.

이 상변화는 즉각적으로 발생한다.

이러한 상변화의 종류는 기화, 응축, 결정화, 용융 등이다.

이러한 상변화가 일어날 때 물질은 불안정한 상태를 경험한다.

But, 시각적 관찰이 불가능 (∵ 바로 변화)

EX)

페놀은 물 100g에 6g 정도 녹음

물 100g + 페놀 1g 모두 용해 안정된 상

페놀을 계속 가해 6g 이 되면 페놀로 포화된다.

이 상태가 안정된 상태의 마지막 지점이다.

20g 을 가하면 물은 페놀을 더 이상 수용 X 단일상으로 존재 X

바로 상분리 현상이 발생한다.

즉, 불안정해진 수용액 상은 두 개의 상으로 분리되어

두 개의 액체상으로 공존한다.

두 액체 상은 각각 안정된 상태로 존재

여기서 비중이 큰 페놀은 아래로, 비중이 작은 물이 위로 위치한다.

식용유 + 물 상온에서는 혼합 X

90℃로 끓이면 소량 혼합

준안정(Metastable) 한 것은?

물질이 안정한 상태는 아니지만 상이 불안정하여 즉시 상변화가 일어나는 것도 아닌 상태이다.

EX)

물의 결빙 0℃ 이하가 되면 고체가 됨

But, 물을 특별한 조건을 유지하면서 물의 온도를 내리면

0℃ 이하가 되어도 얼지 않음, 액체 유지

그 조건이란?

물이 완전 순수한 상태이고 물이 냉각되는 과정에서 외부적 충격이나 진동이 완전 배제

물이 언다는 것은 결정화 과정이고 액→고 결정화되기 위해서는 결정점이 필요하다.

이 결정점 역할은 물 안에 극미세한 고체입자가 한다.

따라서 위 조건을 만족하면, -5℃ 에서도 액체로 존재 할 수 있다.

이것을 과냉액체(Subcooled liquid) 준안정상태라 한다.

이러한 준안정 상태 물질은 기계적 외란(진동, 충격) 등에 의해 즉각적으로 불안정 상태를 거쳐 안정된 상태로 변화한다.

준안정 상태는 물의 결빙 뿐만 아니라, 물의 기화, 증기의 응축, 결정화 등 다양한 경우에서 발생

EX)

충격 X 순수한 물에 열을 가해 100℃ 이상으로 올려도 액체 상태로 남음

이런 액체 물을 과열액체(Superheated liquid)라고 한다.

반대로, 물분자가 응집 할 응집점이 전혀 없을 경우 100℃ 이하에서도 기상의 상태로 남음

이런 증기를 과냉증기(Subcooled vapor)라고 한다.

둘 다 준안정상태로 외부적 충격을 주면 불안정을 거쳐 안정 상태가 된다.

용질을 녹인 용액에서 결정이 석출되는 과정에서도 준안정상태가 발생

EX)

물에 소금이 녹은 경우 포화 용해도 보다 많은 소금이 용액 안에 존재하면,

과포화(Supersaturation)상태에 존재

이 경우에도 불순물 X 결정점이 X 이라면,

과포화되어도 결정이 생성되지 X

이처럼 과포화되어도 소금결정이 생성되지 않는 소금물을 준안정상태로 볼 수 있음

이 상태에 교반을 가해주면, 순식간에 고체 소금이 생성된다.

여기서 이러한 준안정 상태의 경우 아무리 T를 올리거나 내려도 상변화가 일어나지 않는가?

대답은 No

EX)

물의 결빙 시 20℃ 정도가 한계 그 이하 T 에선 결빙

이러한 한계점을 안정성의 경계(Stability limit)라고 부른다.

이같이 기, 액 상태 물질들은 T, P, 조성에 따라 안정, 불안정, 준안정으로 존재한다.

그러므로, 상의 안정성에 대해 관계 규명하는 것은 물질의 상변화가 일어나는 경계를 구한다는 의미에서 매우 중요하다.