상태 변화 재료 겪을 물리적 변화가 열역학적 현상 되돌릴 수 곳 또는 상이하다. 물질과 주변 사이에 열 전달이 발생하기 때문에 열역학적이라고합니다. 또는 똑같은 것은 입자의 재배치를 유도하는 물질과 에너지 사이의 상호 작용이 있습니다.
상태 변화를 겪는 입자는 이전과 이후에 동일하게 유지됩니다. 압력과 온도는 한 단계 또는 다른 단계에서 어떻게 수용되는지에있어 중요한 변수입니다. 상태 변화가 발생하면 두 가지 다른 물리적 상태에서 동일한 물질로 구성된 2 상 시스템이 형성됩니다.
상태 변경. 출처 : Gabriel Bolívar
위의 이미지는 정상적인 조건에서 물질이 겪는 주요 상태 변화를 보여줍니다.
푸르스름한 물질의 단단한 입방체는 주변 온도와 압력에 따라 액체 또는 기체로 변할 수 있습니다. 그 자체로는 단상 인 고체를 나타냅니다. 그러나 녹는 순간, 즉 녹는 순간 융합이라는 고체-액체 평형이 성립됩니다 (푸른 큐브와 방울 사이의 빨간색 화살표).
융합이 일어나려면 입방체가 주변의 열을 흡수하여 온도를 높여야합니다. 따라서 흡열 과정입니다. 큐브가 완전히 녹 으면 액체 상태의 단상으로 돌아갑니다.
이 푸르스름한 방울은 열을 계속 흡수하여 온도를 높이고 기포를 형성합니다. 다시 한 번, 액체와 기체의 두 단계가 있습니다. 모든 액체가 끓는점을 통해 증발하면 끓거나 기화되었다고합니다.
이제 푸르스름한 방울이 구름으로 변했습니다. 지금까지 모든 공정은 흡열이었습니다. 푸르스름한 가스는 뜨거워 질 때까지 열을 계속 흡수 할 수 있습니다. 그러나 지상 조건을 감안할 때 냉각되어 액체로 다시 응축되는 경향이 있습니다 (응축).
반면에 구름은 고체상에 직접 침착되어 다시 고체 입방체 (침착)를 형성 할 수 있습니다. 이 마지막 두 과정은 발열입니다 (파란색 화살표). 즉, 환경이나 주변에 열을 방출합니다.
결로 및 퇴적 외에도 푸른 빛이 도는 방울이 저온에서 얼면 상태 변화가 발생합니다 (응고).
상태 변경 유형 및 특성
이미지는 고체, 액체 및 기체의 세 가지 (가장 일반적인) 물질 상태에 대한 일반적인 변화를 보여줍니다. 빨간색 화살표가 수반하는 변화는 열 흡수를 포함하는 흡열 성입니다. 파란색 화살표가있는 것은 발열 성이지만 열을 방출합니다.
이러한 각 변경 사항에 대한 간략한 설명은 분자 및 열역학적 추론에서 몇 가지 특성을 강조하여 아래에 작성됩니다.
-퓨전
융합은 물질의 상태가 고체에서 액체로 변화하는 것입니다.
고체 상태에서 입자 (이온, 분자, 클러스터 등)는 자유롭게 움직일 수없는 공간의 고정 된 위치에 위치한 "포로 자"입니다. 그러나 이들은 서로 다른 주파수에서 진동 할 수 있으며 매우 강하면 분자간 힘에 의해 부과 된 엄격한 순서가 "떨어지기 시작"합니다.
결과적으로 두 단계가 얻어집니다. 하나는 입자가 갇혀있는 상태 (고체)이고 다른 하나는 입자가 더 자유롭고 (액체) 분리되어있는 거리를 늘릴 수 있습니다. 이를 위해 고체는 열을 흡수해야하므로 입자가 더 큰 힘으로 진동합니다.
이러한 이유로 융합은 흡열이며, 시작되면 고체-액체 상 사이에 평형이 발생한다고합니다.
이러한 변화를 일으키는 데 필요한 열을 열 또는 융합 몰 엔탈피 (ΔH Fus )라고합니다. 이것은 고체 상태의 물질 몰이 단순히 온도를 높이는 것이 아니라 흡수해야하는 열의 양 (주로 kJ 단위의 에너지)을 나타냅니다.
스노볼
손으로 녹는 눈. 출처 : Pixabay
이를 염두에두고 눈덩이가 손에서 녹는 이유를 이해합니다 (상단 이미지). 눈은 체온을 흡수하여 눈의 온도를 0 ° C 이상으로 올릴 수 있습니다.
눈 속의 얼음 결정은 녹고 물 분자가 더 지저분한 구조를 채택하기에 충분한 열을 흡수합니다. 눈이 녹는 동안 형성된 물은 온도를 높이 지 않을 것입니다. 손의 모든 열이 눈이 녹는 데 사용되기 때문입니다.
-기화
기화는 액체 상태에서 기체 상태로 물질의 상태 변화입니다.
계속해서 물의 예를 들어, 이제 냄비에 눈을 몇 개 넣고 불을 피우면 눈이 빠르게 녹는 것을 볼 수 있습니다. 물이 뜨거워지면 이산화탄소와 기타 가능한 가스 불순물의 작은 거품이 내부에 형성되기 시작합니다.
끓는 물. 출처 : Pixabay
열은 물의 무질서한 구성을 분자 적으로 확장하여 부피를 확장하고 증기압을 증가시킵니다. 따라서 증발 증가의 결과로 표면에서 탈출하는 여러 분자가 있습니다.
액체 물은 높은 비열 (4.184J / ° C ∙ g)로 인해 천천히 온도를 상승시킵니다. 흡수하는 열이 더 이상 온도를 높이는 데 사용되지 않고 액체-증기 평형을 시작하는 지점이 있습니다. 즉, 끓기 시작하고 모든 액체는 열을 흡수하고 온도를 일정하게 유지하면서 기체 상태가됩니다.
여기에서 끓인 물 표면에 강렬한 거품이 일어납니다 (상단 이미지). 초기 기포의 증기압이 외부 압력과 같아 지도록 액체 물이 흡수하는 열을 기화 엔탈피 (ΔH Vap )라고합니다.
압력의 역할
압력은 또한 상태 변화의 결정 요인입니다. 기화에 미치는 영향은 무엇입니까? 압력이 높을수록 물이 끓기 위해 흡수해야하는 열이 커지므로 100 ° C 이상에서 증발합니다.
압력이 증가하면 물 분자가 액체에서 기체 상태로 빠져 나가기가 어렵 기 때문입니다.
압력솥은이 사실을 이용하여 물에있는 음식을 끓는점보다 높은 온도로 가열합니다.
반면에 진공 또는 압력 감소가 있기 때문에 액체 물이 끓고 기체 상태로 들어가려면 더 낮은 온도가 필요합니다. 고압 또는 저압으로 물이 끓을 때 상태 변화를 완료하기 위해 각각의 기화열을 흡수해야합니다.
-응축
응축은 기체 상태에서 액체 상태로의 물질 상태 변화입니다.
물이 증발했습니다. 무엇 향후 계획? 수증기는 여전히 온도가 상승하여 심각한 화상을 입힐 수있는 위험한 전류가 될 수 있습니다.
그러나 대신 냉각된다고 가정 해 봅시다. 어떻게? 환경에 열을 방출하고 열을 방출하는 것은 발열 과정이라고합니다.
열을 방출함으로써 매우 활기찬 기체 물 분자가 느려지기 시작합니다. 또한 증기의 온도가 낮아질수록 상호 작용이 더 효과적입니다. 첫째, 물방울이 형성되고 증기에서 응축 된 다음 더 큰 물방울이 중력에 이끌립니다.
주어진 양의 증기를 완전히 응축하려면 ΔH Vap 에서 동일한 에너지를 방출해야합니다 . 즉, 응축 엔탈피 ΔH Cond . 따라서 역 증기-액체 평형이 설정됩니다.
습기 찬 창
결로 현상. 출처 : Pexels
집 자체의 창문에서 응결을 볼 수 있습니다. 추운 기후에서는 집 내부에 포함 된 수증기가 창문과 충돌하여 그 재질로 인해 다른 표면보다 온도가 낮습니다.
거기에서 증기 분자가 서로 뭉쳐서 손으로 쉽게 제거 할 수있는 얇은 흰색 층을 만드는 것이 더 쉽습니다. 이러한 분자는 열을 방출 (유리와 공기 가열)하면서 첫 번째 방울이 응축 될 때까지 (상단 이미지) 더 많은 클러스터를 형성하기 시작합니다.
방울이 매우 커지면 창문 아래로 미끄러 져 물 자국이 남습니다.
-응고
응고는 액체 상태에서 고체 상태로 물질의 상태 변화입니다.
응고는 냉각의 결과로 발생합니다. 즉, 물이 얼게됩니다. 얼기 위해서는 물이 얼음이 녹기 위해 흡수하는 것과 동일한 양의 열을 방출해야합니다. 다시,이 열은 응고 또는 동결 엔탈피, ΔH Cong (-ΔH Fus )라고합니다.
물 분자가 냉각되면 에너지가 손실되고 분자 간 상호 작용이 더 강해지고 방향성이 높아집니다. 결과적으로, 그들은 수소 결합 덕분에 배열되어 소위 얼음 결정을 형성합니다. 얼음 결정이 자라는 메커니즘은 외관에 영향을 미칩니다 : 투명 또는 흰색.
얼음 조각. 출처 : Pixabay
얼음 결정이 매우 느리게 성장하면 저온에서 물에 용해되는 가스와 같은 불순물을 차단하지 않습니다. 따라서 거품이 빠져 나가 빛과 상호 작용할 수 없습니다. 결과적으로 당신은 특별한 얼음 조각상처럼 투명한 얼음을 갖게됩니다 (상단 이미지).
얼음에서 일어나는 것과 똑같은 일이 냉각에 의해 응고되는 다른 물질에서도 발생할 수 있습니다. 아마도 이것은 여러 다 형체를 얻을 수 있기 때문에 지상 조건에서 가장 복잡한 물리적 변화 일 것입니다.
-승화
승화는 고체에서 기체 상태로 물질의 상태 변화입니다.
물을 승화시킬 수 있습니까? 아니요, 적어도 정상적인 조건에서는 아닙니다 (T = 25 ° C, P = 1 atm). 승화, 즉 고체에서 기체로의 상태 변화가 발생하려면 고체의 증기압이 높아야합니다.
마찬가지로, 분자간 힘이 그다지 강하지 않은 것이 필수적이며, 분산력으로 만 구성되는 것이 바람직합니다.
가장 상징적 인 예는 고체 요오드입니다. 높은 증기압을 나타내는 칙칙한 보라색의 결정질 고체입니다. 그 행위에서 보라색 증기가 발산되고 가열되면 부피와 팽창이 눈에.니다.
요오드의 승화. 출처 : Belkina NV, Wikimedia Commons
위의 이미지는 유리 용기에서 고체 요오드를 증발시키는 전형적인 실험을 보여줍니다. 보라색 증기가 어떻게 확산되는지 관찰하는 것은 흥미롭고 놀랍습니다. 입문 한 학생은 액체 요오드의 부재를 확인할 수 있습니다.
이것이 승화의 주요 특징입니다. 액상이 존재하지 않습니다. 마찬가지로 고체가 열을 흡수하여 외부 압력과 같을 때까지 증기압을 높이기 때문에 흡열 성입니다.
-증착
요오드 결정의 증착. 출처 : Stanislav.nevyhosteny, Wikimedia Commons
증착은 기체 상태에서 고체 상태로의 물질 상태 변화입니다.
요오드 승화 실험과 병행하여 침착도있다. 증착은 반대의 변화 또는 전이입니다. 물질은 액체 상태의 형성없이 기체 상태에서 고체로 이동합니다.
자주색 요오드 증기가 차가운 표면에 닿으면 열을 방출하여 따뜻하게하여 에너지를 잃고 분자를 회백색 고체로 다시 그룹화합니다 (상단 이미지). 그런 다음 발열 과정입니다.
증착은 정교한 기술에 의해 금속 원자로 도핑 된 물질의 합성에 널리 사용됩니다. 표면이 매우 차가 우면 표면과 증기 입자 사이의 열 교환이 갑작스럽고 각 액상을 통과하는 통로가 생략됩니다.
증착의 열 또는 엔탈피 (증착이 아님)는 승화 (ΔH Sub =-ΔH Dep ) 의 반대입니다 . 이론적으로 많은 물질이 승화 될 수 있지만이를 달성하려면 P 대 T 다이어그램을 준비하는 것 외에도 압력과 온도를 조작해야합니다. 여기서 먼 가능한 단계를 시각화 할 수 있습니다.
기타 상태 변경
그것들에 대한 언급은 없지만 다른 물질 상태가 있습니다. 때때로 그들은 "각각 조금씩"을 가지고 있고 따라서 그것들의 조합이되는 특징이 있습니다. 이를 생성하려면 압력과 온도를 매우 양 (큰) 또는 음 (작은) 크기로 조작해야합니다.
따라서 예를 들어 가스가 과도하게 가열되면 전자를 잃고 음의 조수에서 양전하를 띤 핵이 플라즈마로 알려진 것을 구성합니다. 전기 전도성이 높기 때문에 "전기 가스"와 동의어입니다.
반면에 온도가 너무 낮 으면 물질이 예상치 못한 방식으로 행동 할 수 있습니다. 즉, 절대 영도 (0K) 주변에서 고유 한 속성을 나타냅니다.
이러한 특성 중 하나는 초 유동성과 초전도성입니다. 뿐만 아니라 모든 원자가 하나로 작용하는 Bose-Einstein 축합 물의 형성.
일부 연구에서는 광자 물질을 지적하기도합니다. 그들 안에서 전자기 방사선 입자 인 광자는 함께 모여 광자 분자를 형성합니다. 즉, 이론적으로는 빛의 물체에 질량을 줄 것입니다.
참고 문헌
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 년 11 월 19 일). 물질 상태 간의 위상 변화 목록. 출처 : thoughtco.com
- Wikipedia. (2019). 물질의 상태. 출처 : en.wikipedia.org
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