상평형 그림

일반적인 상평형그림의 모습으로, 붉은 선은 승화 곡선, 파란 선은 증기 압력 곡선, 녹색 실선은 일반적인 형태의 융해 곡선을 나타낸다. 녹색 점선은 물의 융해 곡선이다.

상평형 그림이란 특정 온도와 기압등의 세기변수 하에서 물질의 상 사이의 평형상태를 나타낸 도표로 특정한 상태에서 물질이 어떤 상을 가지게 되는지를 나타낸다. 주로 증기 압력 곡선, 승화 곡선, 융해 곡선의 세 곡선으로 이루어져있으며 그 물질의 삼중점과 임계점이 나타나있다. 상평형 그림의 세로축은 포화 증기압 또는 동적 평형 상태 에서의 증기압을, 가로축은 온도를 나타내게 된다.

보통 상평형 그림은 평면상에 여러 개의 곡선을 사용하여 나타나지지만, 여러 물질이 혼합된 계에서는 독립적으로 변하는 상태량이 많아서 입체적으로 나타내기도 한다.

상평형 그림에서의 곡선

증기 압력 곡선

증기 압력 곡선이란 일정 온도에서 액체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 동적 평형 상태에서의 증기압과 외부 압력(대기압)이 같을 때 액체가 끓기 때문에 특정 압력에서의 물체의 끓는점을 나타내기도 한다. 증기 압력 곡선 위의 어느 한 점에 해당하는 온도, 기압 하에서 그 물질은 액체와 기체가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에는 상한이 있으며, 이 점을 임계점이라 한다.

융해 곡선

융해 곡선은 특정 기압에서 물체의 녹는점을 표시한 그래프이다. 융해 곡선 위의 어느 한 점에서 물질의 상은 고체와 액체가 공존하게 된다. 증기 압력 곡선에서는 상한점이 발견되었지만, 융해곡선에도 상한이 있는가는 아직 밝혀지지 않았다.

일반적으로 압력이 높아질수록 녹는점은 높아지게 된다. 즉, 융해 곡선은 양의 기울기를 가진 곡선이다. 하지만 예외적으로 물의 융해 곡선은 음의 기울기를 가진다.

승화 곡선

일정 온도에서 고체의 증기압을 나타낸 곡선으로, 삼중점 이하에서만 존재한다. 액체의 증기 압력 곡선과 마찬가지로 고체의 증기압과 외부 압력이 같은 온도가 고체의 승화점이기 때문에 특정 기압에서의 승화점을 나타내기도 한다.

상평형 그림에서의 구획

융해곡선과 승화곡선의 사이에서 물질은 고체로 존재하게 되며, 융해곡선과 증기 압력 곡선사이에서 물체는 액체로 존재하게 된다. 마찬가지로 승화곡선과 증기 압력 곡선의 사이에서 물체는 기체의 상을 가지게 된다. 각 곡선은 구획 간의 점이 지대로써 두 상이 공존하게 된다.

상평형 그림에서의 특이점

삼중점

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삼중점이란 증기 압력 곡선, 융해 곡선, 승화 곡선이 만나는 지점으로, 삼중점에서 물질은 고체, 액체, 기체의 상을 모두 가지게 된다. 승화곡선은 삼중점 이하에 존재하므로, 삼중점보다 낮은 압력에서 물질은 과냉각 상태일 때를 제외하고 액체의 상을 가질 수 없다.

임계점

 이 부분의 본문은 임계점 (열역학)입니다.

임계점이란 증기 압력 곡선의 상한점을 나타낸다. 임계점 이상에서 증기 압력 곡선은 더 이상 그려질 수 없으며, 물질은 액체인지 기체인지 구별이 모호한 상태가 되게 된다. 임계점 이상에서의 물질, 즉 초임계유체는 기체의 확산성과 액체의 용해성을 가지는 유체이며, 중금속을 녹이기도 한다.

다성분계의 상평형 그림

KAlSiO4와 SiO2의 무게백분율과 온도에 따른 상평형도

여러 물질이 서로에게 영향을 미치면서 상을 이루므로 복잡하다. 마그마가 고상이 될 때의 상을 알기 위한 광물들의 상평형도 등이 여기에 해당한다.

다성분계의 상평형 그림의 곡선

고상선과 액상선

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고상선은 다성분계의 일부가 액체상태인 상과 모두 고체상태인 상의 경계를 나타낸 곡선이고, 액상선은 다성분계의 일부가 고체 상태인 상과 모두 액체상태인 상의 경계를 나타낸 곡선이다. 이러한 경계에서는 일부 물질에 대해서 고체와 액체가 공존하게 된다.

다성분계의 상평형 그림의 특이점

공융점

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공융점이란 고상선과 액상선의 교점으로, 모든 성분에 대해 고체와 액체가 공존하는 점이다.

공융점을 지나가면 모든 성분의 상이 동시에 바뀌게 된다.

반응점

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반응점이란 계의 성분들이 반응을 할 때 반응 전과 후의 물질들이 공존하는 상태 또는 그러한 점을 의미한다.

광물들의 상평형 그림

주로 온도(압력)과 무게백분율의 두가지 세기변수를 사용하며, 반응이 일어나지 않으면 고상선 아래에서의 완전한 고체와 액상선 위에서의 액체(마그마) 상태, 그리고 그 중간 상태로 나누어진다.

읽는 방법

지레규칙을 이용한다. 특정 위치에서 두 물질의 비율은 그 점에서 무게백분율축 방향으로 선을 그어 양쪽 경계선과의 거리를 L1, L2라 할 때 L2:L1이 된다.

이용

마그마가 식으면서 어떤 조성 변화를 보이는지 연구하는 데 사용되며, 보엔의 반응계열 등을 설명하는 데도 사용된다.

같이 보기

• 상 (물질)