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2024년 4월 4일 (목) 00:06 판

브로민은 상온에서 액체와 기체 상태이다. 가운데 브로민을 고체 상태인 아크릴이 둘러싸고 있다.

헬륨이 플라스마 상태에서 주황색으로 밝게 빛나고 있다.

물질의 상태(物質- 狀態, state of matter)는 물리학에서 물질이 존재할 수 있는 여러 가지 상태, 즉 상을 말한다. 일상 생활에서는 고체, 액체, 기체, 플라스마 4가지 상태를 흔히 볼 수 있다. 즉, 고체는 정해진 크기와 형태를 갖는다. 액체는 정해진 크기를 갖지만 형태는 정해져 있지 않다. 기체는 크기도 형태로 정해져 있지 않다. 최근 들어 물질 상태는 분자간 상호작용으로 이를 구별하고 있다. 그 외에 액정처럼 수 많은 중간상태도 있으며 보스-아인슈타인 응축과 페르미온 응축(극저온 상태), 중성자 축퇴물질(극고밀도 상태), 쿼크-글루온 플라스마(극고에너지 상태) 등 극한 조건에서만 존재하는 특수한 물질의 상태도 있다. 극한 상태에만 존재하는 이색적인 물질의 상태 목록은 물질의 상태 목록 문서를 참고하면 된다.

전통적으로 물질의 상태는 구성 입자 사이 간의 간격 차이를 통해 구분했다. 고체 상태의 물질은 구성 입자(원자, 분자, 이온 등)가 서로 밀착해서 제자리에 고정된 상태로 (온도나 기압의 변화가 없다 가정하면) 그 부피가 항상 일정하다. 액체 상태의 물질은 부피는 일정하지만 담긴 용기에 맞게 그 모양이 변한다. 이때도 입자는 밀착되어 있지만 어느 정도 자유롭게 움직인다. 기체 상태의 물질은 부피와 모양 모두 바뀔 수 있으며 담긴 용기에 맞게 변한다. 입자는 서로 가까이에 있지도 않고 제자리에 고정되어 있지도 않는다. 플라스마 상태의 물질은 부피와 모양 모두 자유롭게 바뀔 수 있으며 그 구성 물질이 중성 원자와 상당수의 이온, 전자이며 이 모두 자유롭게 이동할 수 있다.

물질의 상태는 물질의 상이란 의미와 동의어로 쓰이기도 하지만 하나의 화합물이 동일한 물질 상태의 서로 다른 상을 형성할 수 있다. 예를 들어 얼음은 물의 고체 상태이지만 서로 다른 온도와 압력에서 형성되는 결정 구조를 가진 여러 종류의 얼음이 존재한다.

고전적인 상태

고체

고체에서는 구성 입자(이온, 원자, 분자 등)가 서로 밀접하게 붙어 있다. 입자 사이의 힘이 강해서 각 입자는 자유롭게 운동할 수 없고 진동만 할 수 있다. 이 때문에 고체는 안정적이면서 고정된 모양과 고정된 부피를 가진다. 고체는 깨지거나 자를 때처럼 외부에 힘이 가해져야만 모양이 바뀔 수 있다.^[1]

결정 고체에서는 구성 입자가 규칙적이고 반복되는 패턴으로 정렬되어 있다. 고체에는 다양한 결정 구조가 존재하며 동일한 물질에 두 가지 이상의 구조 혹은 상이 존재할 수 있다. 예를 들어 철은 912 °C 이하의 온도에서는 등축정계 구조를, 912~1,394 °C 사이의 온도에서는 등축정계 구조를 가진다. 얼음은 다양한 온도와 압력에서 볼 수 있는 총 15가지 고체 상, 고체 결정 구조를 가지고 있다.^[2]

유리나 기타 장거리 규칙성을 띄지 않는 비정질 고체는 열평형 상태가 아니므로 단순한 고체라고 할 수 없고, 아래에서 설명할 비고전적인 물질의 상태로 따로 설명한다.^[3]

고체는 녹아서 액체가 될 수 있고(융해), 액체는 굳으면 고체가 될 수 있다(응고). 또한 고체는 승화 과정을 통해 바로 기체가 될 수 있으며, 기체도 증착 과정을 통해 곧바로 고체가 될 수 있다.^[4]

액체

액체는 용기의 모양에 그대로 맞춰지지만 압력에 관계없이 (거의) 일정한 부피를 유지하는 비압축성 유체이다. 온도와 압력이 일정하면 부피가 고정되어 있다. 고체가 압력이 삼중점 이상일 때, 온도를 녹는점 이상으로 올리면 액체가 된다. 분자간(혹은 원자간, 이온간) 힘은 액체에서도 중요한 역할을 하지만 분자는 각각이 어느 정도 움직일 수 있을 정도로 충분한 에너지가 있으며 분자 구조도 이동성을 가지고 있다. 즉 액체의 모양은 고정적이지 않고 그 액체가 담긴 용기에 따라 결정된다. 액체의 부피는 보통 같은 무게의 고체 부피보다 큰데 이 법칙의 예외로 물이 있다. 주어진 액체가 액체로서 존재할 수 있는 가장 높은 온도를 임계점이라고 부른다.^[5]

기체

기체는 압축이 가능한 유체이다. 기체는 모양이 담긴 용기를 따라갈 뿐 아니라 부피도 용기에 따라 용기를 가득 채우도록 크고 줄어든다.

기체에서 분자는 충분한 운동 에너지를 가지고 있어 분자 사이의 힘이 거의 적고(이상기체의 경우 0) 인접한 분자 사이의 거리는 각 분자의 크기보다 훨씬 길다. 기체는 명확한 모양이나 부피가 없지만 기체가 담겨 있는 용기의 전체에 고르게 퍼진다. 액체를 일정한 압력에서 끓는점까지 가열하거나 일정한 온도에서 압력을 낮춰서 기체로 만들 수 있다.^[6]

임계점 이하의 온도에서는 기체를 증기라고도 부르며, 냉각 없이 압축만으로도 액화할 수 있다. 증기는 액체(혹은 고체)와 평형 상태로 같이 이룰 수 있으며 이 경우 기체 압력은 액체(혹은 고체)의 증기 압력과 같다.

초임계유체(SCF)는 온도와 압력이 각각 임계 온도와 임계 압력을 넘은 상태이다. 이 상태에서는 액체와 기체의 구분이 사라진다. 초임계유체는 기체의 물리적 특성을 가지고 있지만 밀도가 매우 높기 때문에 경우에 따라 액체의 용매적 특성이 나타나 다양한 분야에 유용하게 응용할 수 있다. 예를 들어 초임계 이산화 탄소를 이용해 커피에서 카페인을 추출하여 디카페인 커피를 제조할 수 있다.^[7]

플라스마

기체를 보통 두 지점 사이에 매우 큰 전압차를 걸거나 극도로 높은 온도에 노출하기, 2가지 방법을 이용해 플라스마로 변환할 수 있다. 물질을 초고온으로 가열하면 원자에서 전자가 빠져나와 자유전자 형태로 돌아다닌다. 이렇게 하면 소위 부분 이온화된 플라스마가 형성된다. 항성 내부와 같이 매우 높은 온도에서는 기본적으로 모든 전자가 '자유전자'이며 초고에너지 플라스마는 본질적으로 자유전자의 바다에서 헤엄치는 원자핵이라고 가정한다. 이렇게 되면 소위 완전 이온화된 플라스마가 된다.

플라스마 상태는 지구 상에서 볼 수 없다는 오해가 있는데, 일반적인 조건에서는 자유롭게 존재하진 않지만 번개, 전기 스파크, 형광등, 네온사인, 플라스마 디스플레이 등 다양한 곳에서 흔하게 플라스마를 볼 수 있다. 항성의 코로나나 특정 유형의 불꽃, 별 모두 플라스마 상태의 발광 물질이다. 우주에 존재하는 모든 일반 물질 중 99%가 플라스마 상태이며 모든 별 안에는 플라스마가 있기 때문에 4가지 물질의 상태 중 가장 흔하게 볼 수 있는 상태가 플라스마다.^[8]^[9]^[10]

물질의 상전이

비표준적인 상태

유리 상태
액정 상태
자석 금속 상태

낮은 온도의 상태

고에너지 상태

플라스마 상태
쿼크 붙임알 플라스마 상태

그 밖의 제안 상태

같이 보기

물질

각주

↑ 최낙언. “물질의 상태 : 고체”. 최낙언의 자료보관소. 2024년 4월 2일에 확인함.
↑ M.A. Wahab (2005). 《Solid State Physics: Structure and Properties of Materials》. Alpha Science. 1–3쪽. ISBN 978-1-84265-218-3.
↑ Sturm, Karl Günter (2017). “Microscopic-Phenomenological Model of Glass Transition I. Foundations of the model (Revised and enhanced version) (Former title: Microscopic Model of Glass Transformation and Molecular Translations in Liquids I. Foundations of the Model-October 2015)” (영어). doi:10.13140/RG.2.2.19831.73121.
↑ Whitten, Kenneth W.; Gailey, Kenneth D.; Davis, Raymond E. (1992). 《General chemistry》 4판. Saunders College Publishing. 475쪽. ISBN 0-03-072373-6.
↑ F. White (2003). 《Fluid Mechanics》. McGraw-Hill. 4쪽. ISBN 978-0-07-240217-9.
↑ This early 20th century discussion infers what is regarded as the plasma state. See page 137 of American Chemical Society, Faraday Society, Chemical Society (Great Britain) The Journal of Physical Chemistry, Volume 11 Cornell (1907).
↑ G. Turrell (1997). 《Gas Dynamics: Theory and Applications》. John Wiley & Sons. 3–5쪽. ISBN 978-0-471-97573-1.
↑ “Plasma, Plasma, Everywhere”. 《NASA Science》. 1999년 9월 7일.
↑ Aschwanden, M. J. (2004). 《Physics of the Solar Corona. An Introduction.》. Praxis Publishing. ISBN 978-3-540-22321-4.
↑ Piel, Alexander (2017년 9월 7일). 《Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas》 (영어). Springer. ISBN 978-3-319-63427-2.

외부 링크

위키미디어 공용에 관련된
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물질의 상태

2005-06-22, MIT News: MIT physicists create new form of matter Citat: "... They have become the first to create a new type of matter, a gas of atoms that shows high-temperature superfluidity."
2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: "...We apparently have observed, for the first time, a solid material with the characteristics of a superfluid...but because all its particles are in the identical quantum state, it remains a solid even though its component particles are continually flowing..."
2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
Short videos demonstrating of States of Matter, solids, liquids and gases by Prof. J M Murrell, University of Sussex

[1] 최낙언. “물질의 상태 : 고체”. 최낙언의 자료보관소. 2024년 4월 2일에 확인함.

[2] M.A. Wahab (2005). 《Solid State Physics: Structure and Properties of Materials》. Alpha Science. 1–3쪽. ISBN 978-1-84265-218-3.

[3] Sturm, Karl Günter (2017). “Microscopic-Phenomenological Model of Glass Transition I. Foundations of the model (Revised and enhanced version) (Former title: Microscopic Model of Glass Transformation and Molecular Translations in Liquids I. Foundations of the Model-October 2015)” (영어). doi:10.13140/RG.2.2.19831.73121.

[4] Whitten, Kenneth W.; Gailey, Kenneth D.; Davis, Raymond E. (1992). 《General chemistry》 4판. Saunders College Publishing. 475쪽. ISBN 0-03-072373-6.

[White-5] F. White (2003). 《Fluid Mechanics》. McGraw-Hill. 4쪽. ISBN 978-0-07-240217-9.

[6] This early 20th century discussion infers what is regarded as the plasma state. See page 137 of American Chemical Society, Faraday Society, Chemical Society (Great Britain) The Journal of Physical Chemistry, Volume 11 Cornell (1907).

[Turrell-7] G. Turrell (1997). 《Gas Dynamics: Theory and Applications》. John Wiley & Sons. 3–5쪽. ISBN 978-0-471-97573-1.

[8] “Plasma, Plasma, Everywhere”. 《NASA Science》. 1999년 9월 7일.

[9] Aschwanden, M. J. (2004). 《Physics of the Solar Corona. An Introduction.》. Praxis Publishing. ISBN 978-3-540-22321-4.

[10] Piel, Alexander (2017년 9월 7일). 《Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas》 (영어). Springer. ISBN 978-3-319-63427-2.

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@@ 73번째 줄: / 73번째 줄: @@
 === 플라스마 ===
 {{본문|플라스마}}
+[[파일:Plasma jacobs ladder.jpg|250px|섬네일|[[아크 방전|야곱의 사다리]]를 통해 공기 중에서 생성된 인공 플라스마. 두 막대 사이 극도로 큰 [[전압|전위차]]가 공기 중의 입자를 [[이온화]]시켜 플라스마를 형성한다.]]
+기체를 보통 두 지점 사이에 매우 큰 전압차를 걸거나 극도로 높은 온도에 노출하기, 2가지 방법을 이용해 플라스마로 변환할 수 있다. 물질을 초고온으로 가열하면 [[원자]]에서 전자가 빠져나와 자유전자 형태로 돌아다닌다. 이렇게 하면 소위 부분 이온화된 플라스마가 형성된다. [[항성]] 내부와 같이 매우 높은 온도에서는 기본적으로 모든 전자가 '자유전자'이며 초고에너지 플라스마는 본질적으로 자유전자의 바다에서 헤엄치는 원자핵이라고 가정한다. 이렇게 되면 소위 완전 이온화된 플라스마가 된다.
+플라스마 상태는 지구 상에서 볼 수 없다는 오해가 있는데, 일반적인 조건에서는 자유롭게 존재하진 않지만 [[번개]], [[전기 불꽃|전기 스파크]], [[형광등]], [[네온사인]], [[플라스마 디스플레이]] 등 다양한 곳에서 흔하게 플라스마를 볼 수 있다. [[항성의 코로나]]나 특정 유형의 [[불꽃]], 별 모두 플라스마 상태의 발광 물질이다. 우주에 존재하는 모든 일반 [[물질]] 중 99%가 플라스마 상태이며 모든 별 안에는 플라스마가 있기 때문에 4가지 물질의 상태 중 가장 흔하게 볼 수 있는 상태가 플라스마다.<ref>{{Cite web |date=Sep 7, 1999 |title=Plasma, Plasma, Everywhere |url=https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/ast07sep99_1 |website=NASA Science}}</ref><ref>{{Cite book |last=Aschwanden, M. J. |title=Physics of the Solar Corona. An Introduction. |publisher=Praxis Publishing |year=2004 |isbn=978-3-540-22321-4}}</ref><ref>{{Cite book |last=Piel |first=Alexander |url=https://books.google.com/books?id=9cA0DwAAQBAJ&pg=PR8 |title=Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas |date=2017-09-07 |publisher=Springer |isbn=978-3-319-63427-2 |language=en}}</ref>
 == 물질의 상전이 ==

v t e 물질의 상태
일반적인 상태	고체 액체 기체 / 증기 플라스마
저에너지	보스-아인슈타인 응축 페르미온 응축 양자 홀 효과 뤼드베리 상태 기묘 물질 초유체 초고체
고에너지	축퇴물질 QCD 물질 쿼크-글루온 플라스마 초임계유체
다른 상태	교질 유리 액정 자기적 순서 (반강자성, 준강자성, 강자성) 슈퍼글라스
상전이	끓음 (비등) 끓는점 응축 임계선 임계점 결정화 탈이온화 증착 증발 플래시 증발 결빙 이온화 람다 점 융해 녹는점 복빙 포화 유체 승화 과냉각 삼중점 기화
양	융해열 승화열 기화열 잠열 내부 에너지 트루턴의 비율 휘발성
개념	바이노달 압축유체 냉각곡선 상태 방정식 라이덴프로스트 효과 음펨바 효과 질서와 무질서 스피노달 초전도 현상 과열증기 과가열 열 유전 효과