모든 사람은 어렸을 때의 기억을 가지고 있으며 예기치 않게 (원치 않게) 아이스크림이 녹았습니다. 아마도 당신은 해변에 있었고, 녹은 아이스크림이 손가락으로 흘러 내리는 것을 따라 잡으려고했지만, 그 후 전체 국자가 모래에 떨어졌습니다. 어쩌면 당신은 너무 오래 햇볕에 아이스 캔디를 내버려 두었다가 빛나는 색의 설탕 물 웅덩이로 돌아 왔을 것입니다. 당신의 경험이 무엇이든, 대부분의 사람들은고체상로 전환액상, 그리고 그 변화의 결과.
물론 물리학 자들은 물질의 여러 상태 사이에서 이러한 위상 변화를 설명하는 특정 언어를 가지고 있습니다. 상 변화를 겪는 온도를 포함하여 재료의 다양한 물리적 특성이 재료의 작동 방식을 좌우한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 이러한 위상 변화에서 사용되는 에너지를 계산하는 방법과 관련 물리적 얼음이 녹는 것부터 좀 더 특이한 과정까지 승화.
물질의 단계
대부분의 사람들은 물질의 세 가지 주요 단계 인 고체, 액체 및 기체에 익숙합니다. 그러나 플라즈마라고하는 물질의 네 번째 상태도 있으며, 이 기사의 뒷부분에서 간략하게 설명합니다. 솔리드는 이해하기 가장 쉽습니다. 고체 상태의 물질은 모양을 유지하며 주목할만한 정도로 압축되지 않습니다.
예를 들어 물을 사용하면 얼음이 고체 상태이며 얼음이 깨지기 전에 깨질 것임을 직관적으로 알 수 있습니다. 더 작은 부피로 압축 할 수 있었지만 깨진 얼음은 여전히 똑같이 차지할 것입니다. 음량. 스폰지를 가능한 반례로 생각할 수도 있지만이 경우 "압축"하면 실제로 자연 상태에있는 모든 공기 구멍을 제거하기 만하면됩니다. 실제 고체 물질은 압축.
액체는 그 안에 들어있는 용기의 모양을 갖지만 고체와 같은 방식으로 압축 할 수 없습니다. 다시 말하지만, 액체 물은 매우 친숙하기 때문에 완벽한 예입니다. 용기의 모양이지만 물리적으로 압축하여 자연적인 것보다 적은 양을 차지할 수는 없습니다. 상태. 반면 수증기와 같은 가스는 용기의 모양을 채우지 만 압축 할 수 있습니다.
각각의 동작은 원자 구조로 설명됩니다. 고체에는 원자의 규칙적인 격자 배열이 있으므로 원자가 제자리에 고정되어 있기 때문에 결정 구조 또는 적어도 비정질 질량을 형성합니다. 액체에서 분자 또는 원자는 자유롭게 움직일 수 있지만 부분적으로 수소 결합을 통해 연결되어 자유롭게 흐르지 만 약간의 점도가 있습니다. 기체에서 분자는 분자간 힘없이 완전히 분리되어 있기 때문에 기체가 고체 나 액체보다 훨씬 더 자유롭게 팽창하고 압축 할 수 있습니다.
융합 잠열
고체에 열을 추가하면 녹는 점에 도달 할 때까지 온도가 상승하여 상황이 변합니다. 녹는 점에 도달하면 추가하는 열 에너지는 온도를 변경하지 않습니다. 일반적으로 용융이라고하는 고체상에서 액체상으로의 상 전이를위한 에너지를 제공합니다.
용융 과정을 설명하는 방정식은 다음과 같습니다.
Q = mL_f
어디엘에프 물질의 융합 잠열입니다.미디엄물질의 질량이며큐추가 된 열입니다. 방정식에서 알 수 있듯이 잠열의 단위는 에너지 / 질량, 또는 kg, g 또는 기타 질량 측정 당 줄입니다. 융합의 잠열은 때때로 융합의 엔탈피 또는 때로는 단지 용융의 잠열이라고도합니다.
예를 들어 얼음이 녹는 것을 구체적으로보고있는 경우와 같이 특정 물질의 경우 이것이 발생하는 특정 전이 온도가 있습니다. 얼음이 액체 물로 녹는 경우 상전이 온도는 섭씨 0도 또는 273.15 켈빈입니다. 온라인에서 많은 일반 재료에 대한 융합 잠열을 찾을 수 있지만 (참고 자료 참조) 얼음의 경우 334kJ / kg입니다.
기화 잠열
용융과 동일한 과정은 물질을 증발시킬 때 발생합니다. 단, 상전이가 발생하는 온도가 물질의 끓는점이라는 점만 다릅니다. 하지만 같은 방식으로이 시점에서 물질에주는 추가 에너지는 상전이로 이동합니다.이 경우에는 액체상에서 기체 상으로 이동합니다. 여기서 사용되는 용어는 기화 잠열 (또는 기화 엔탈피)이지만 개념은 융합 잠열과 정확히 동일합니다.
방정식은 또한 동일한 형식을 취합니다.
Q = mL_v
어디엘V 이 시간은 기화 잠열입니다 (공통 재료 값 표는 참고 자료 참조). 다시 말하지만, 각 물질에 대한 특정 전이 온도가 있으며, 액체 물은 100 ° C 또는 373.15 켈빈에서이 전이를 겪습니다. 따라서 특정 질량을 가열하는 경우미디엄상온에서 끓는점까지 물을 증발시킨 다음 증발시키는 두 단계가 있습니다. 계산: 100 ° C로 만드는 데 필요한 에너지와 증발하는 데 필요한 에너지 그것.
승화
고체에서 액체로의 상전이 (즉, 용융)와 액체에서 기체로의 상전이 (기화)가 가장 일반적으로 발생하지만 발생할 수있는 다른 많은 전이가 있습니다. 특히,승화물질이 고체상에서 기체 상으로 직접 상전이를 겪는 경우입니다.
이 행동의 가장 잘 알려진 예는 드라이 아이스인데, 실제로는 고체 이산화탄소입니다. 상온 및 대기압에서 이산화탄소 가스로 직접 승화되므로 연극 안개 효과를위한 일반적인 선택이됩니다.
승화의 반대는침적, 가스가 고체로 직접 상태 변화를 겪는 곳. 이것은 덜 일반적으로 논의되지만 본질적으로 여전히 발생하는 또 다른 유형의 상전이입니다.
위상 전이에 대한 압력의 영향
압력은 상전이가 발생하는 온도에 큰 영향을 미칩니다. 더 높은 압력에서 기화 지점은 더 높고 더 낮은 압력에서는 감소합니다. 이것이 고도가 높을 때 물이 더 낮은 온도에서 끓는 이유입니다. 압력이 낮아서 끓는점도 그렇기 때문입니다. 이 관계는 일반적으로 온도 및 압력에 대한 축과 해당 물질의 고체, 액체 및 기체 상을 구분하는 선이있는 상 다이어그램에서 설명됩니다.
위상 다이어그램을주의 깊게 살펴보면 물질이 세 가지 주요 위상 (즉, 기체, 액체 및 고체 상태)의 교차점에있는 특정 지점이 있음을 알 수 있습니다. 이것은삼중점, 또는 물질의 임계점이며 특정 임계 온도 및 임계 압력에서 발생합니다.
혈장
네 번째 물질 상태는 플라즈마입니다. 이것은 기술적으로 이온화 된 (즉, 전자가 제거 된) 기체이기 때문에 다른 물질 상태와는 약간 다릅니다. 따라서 구성 원자는 순 전하를 갖습니다.) 따라서 다른 상태와 같은 방식으로 상전이가 없습니다. 문제.
그것의 거동은 일반적인 가스와는 매우 다릅니다. 왜냐하면 전기적으로 "준 중성"으로 간주 될 수 있기 때문입니다 (왜냐하면 그 안에 양성자와 전자의 수가 같기 때문입니다.)전부의플라즈마), 집중된 전하와 그에 따른 전류의 포켓이 있습니다. 플라즈마는 또한 일반적인 가스가 할 수없는 방식으로 전기장과 자기장에 반응합니다.
Ehrenfest 분류
서로 다른 단계 간의 전환을 설명하는 가장 잘 알려진 방법 중 하나는 Ehrenfest 분류 시스템입니다. 전환을 1 차 및 2 차 위상 전환으로 분할하고 현대 시스템은 이. 전환의 "차수"는 불연속성을 나타내는 열역학적 자유 에너지의 최하위 미분을 나타냅니다. 예를 들어, 고체, 액체 및 기체 간의 전이는 잠열이 자유 에너지 파생물에서 불연속성을 생성하기 때문에 1 차 상전이입니다.
2 차 위상 전이는 자유 에너지의 2 차 도함수에서 불연속성을 가지며, 그러나 공정에 관련된 잠열이 없으므로 연속 단계로 간주됩니다. 전환. 예를 들어 초전도로의 전환 (즉, 무언가가 초전도체가되는 지점) 및 강자성 상전이 (Ising 모델에 설명 됨)가 있습니다.
Landau 이론은 특히 임계점 주변에서 시스템의 동작을 설명하는 데 사용됩니다. 일반적으로 상전이 온도에서 대칭 파괴가 있으며, 이는 특히 다음과 같은 경우에 유용합니다. 고온 위상이 저온보다 더 많은 대칭을 포함하는 액정의 전이를 설명합니다. 단계.
상전이의 예: 녹는 얼음
0 ° C에 1kg의 얼음 블록이 있고 얼음을 녹이고 온도를 표준 실내 온도보다 약간 높은 20 ° C로 올리려고한다고 가정 해 보겠습니다. 앞서 언급했듯이 다음과 같은 계산에는 두 부분이 있습니다. 위상을 계산해야합니다. 변경 한 다음 일반적인 접근 방식을 사용하여 지정된 온도까지 온도를 올리는 데 필요한 에너지를 계산합니다. 양.
물 얼음의 융합 잠열은 334 kJ / kg이므로 이전 방정식을 사용합니다.
\ begin {aligned} Q & = mL_f \\ & = 1 \ text {kg} × 334 \ text {kJ / kg} \\ & = 334 \ text {kJ} \ end {aligned}
따라서 녹는 얼음, 특히 1kg은 334kg의 에너지를 필요로합니다. 물론 더 많거나 적은 양의 얼음으로 작업하는 경우 1kg은 적절한 값으로 대체됩니다.
이제이 에너지가 얼음으로 전달되면 위상이 바뀌게됩니다.그러나여전히 온도가 0 ° C입니다. 온도를 20 ° C로 높이기 위해 추가해야하는 열량을 계산하려면 물의 비열 용량을 조회하기 만하면됩니다 (씨= 4,182 J / kg ° C) 표준 식을 사용합니다.
Q = mC∆T
어디 ∆티온도 변화를 나타냅니다. 이것은 우리가 가지고있는 정보로 쉽게 해결할 수 있습니다. 필요한 온도 변화는 20 ° C이므로 나머지 과정은 단순히 값을 삽입하고 계산하는 것입니다.
\ begin {aligned} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ text {kg} × 4182 \ text {J / kg ° C} × 20 \ text {° C} \\ & = 83,640 \ text {J} = 83.64 \ text {kJ} \ end {aligned}
따라서 전체 과정 (즉, 얼음을 녹이고 물을 가열)에는 다음이 필요합니다.
334 \ text {kJ} + 83.64 \ text {kJ} = 417.64 \ text {kJ}
따라서 대부분의 에너지는 가열이 아닌 용융 과정에서 발생합니다. 이 계산은 단위가 전체적으로 일관 되었기 때문에 만 작동했습니다. 질량은 항상 kg이고 에너지는 최종 추가를 위해 kJ로 변환되었습니다 – 그리고 당신은 시도하기 전에 항상 이것을 확인해야합니다 계산.
상전이의 예: 액체 물 증발
이제 마지막 예에서 20 ° C에서 1kg의 물을 가져다가 수증기로 변환하려고한다고 가정합니다. 프로세스가 본질적으로 이전과 동일하기 때문에 미리 읽기 전에이 문제를 해결하십시오. 먼저 물을 끓는점까지 가져 오는 데 필요한 열 에너지의 양을 계산 한 다음 계속해서 물을 증발시키는 데 필요한 추가 에너지의 양을 계산할 수 있습니다.
첫 번째 단계는 이전 예의 두 번째 단계와 동일하지만 지금은 ∆티= 80C, 액체 물의 끓는점이 100C이기 때문입니다. 따라서 동일한 방정식을 사용하면 다음이 제공됩니다.
\ begin {aligned} Q & = mC∆T \\ & = 1 \ text {kg} × 4182 \ text {J / kg ° C} × 80 \ text {° C} \\ & = 334,560 \ text {J} = 334.56 \ text {kJ} \ end {aligned}
이 정도의 에너지가 추가 된 지점부터 나머지 에너지는 액체를 증발시키는 데 들어가고 다른 식을 사용하여 계산해야합니다. 이것은:
Q = mL_v
어디엘V = 액체 물의 경우 2256 kJ / kg. 이 예에서 1kg의 물이 있다는 점에 유의하면 다음을 계산할 수 있습니다.
\ begin {aligned} Q & = 1 \ text {kg} × 2256 \ text {kJ / kg} \\ & = 2256 \ text {kJ} \ end {aligned}
프로세스의 두 부분을 함께 추가하면 필요한 총 열이 제공됩니다.
2256 \ text {kJ} + 334.56 \ text {kJ} = 2590.56 \ text {kJ}
이 과정에서 사용되는 대부분의 열 에너지 (얼음이 녹는 것과 같이)는 일반적인 가열 단계가 아니라 상전이에 있습니다.