11.13: 위상 다이어그램

상평형도는 물질의 액체-기체, 고체-액체 및 고체-기체 상전이 평형에 대한 압력 대 온도 플롯을 결합합니다. 이 다이어그램은 특정 압력 및 온도 조건에서 존재하는 물리적 상태를 나타내며 상전이 온도(녹는점, 승화점, 끓는점)의 압력 의존성을 제공합니다. 고체, 액체, 기체로 표시된 영역이나 영역은 단일상을 나타내고, 선이나 곡선은 평형 상태(또는 상변화점)에 공존하는 두 상을 나타냅니다. 삼중점은 세 가지 상이 모두 공존하는 압력과 온도 조건을 나타냅니다. 이와 대조적으로 임계점은 물리적 특성이 기체 상태와 액체 상태의 중간인 단일 상이 존재하는 온도와 압력을 나타냅니다.

Figure 1. 일반적인 상평형도

상평형도는 특정 압력 및 온도 조건에서 물질의 물리적 상태를 식별합니다. 이러한 플롯의 유용성을 설명하기 위해 아래 표시된 물의 상평형도를 생각해 보세요.

Figure 2. 물의 상평형도.

50kPa의 압력과 -10°C의 온도는 다이어그램에서 "얼음"으로 표시된 영역에 해당합니다. 이러한 조건에서 물은 고체로만 존재합니다. 50kPa의 압력과 50°C의 온도는 물이 액체로만 존재하는 영역에 해당합니다. 25kPa 및 200°C에서 물은 기체 상태로만 존재합니다. 곡선 BC는 상태도의 액체와 기체 영역을 분리하는 액체-증기 곡선이며 모든 압력에서 물의 끓는점을 제공합니다. 예를 들어, 1기압에서 끓는점은 100°C입니다. 액체-증기 곡선은 온도 374°C, 압력 218atm에서 끝나며, 이는 압력에 관계없이 물이 이 온도 이상에서 액체로 존재할 수 없음을 나타냅니다. 이러한 조건에서 물의 물리적 특성은 액체 상태와 기체 상태의 중간 수준입니다. 이 독특한 물질 상태를 초임계 유체라고 합니다. AB로 표시된 고체-증기 곡선은 얼음과 수증기가 평형을 이루는 온도와 압력을 나타냅니다. 이러한 온도-압력 자료 쌍은 물의 승화 또는 침전 지점에 해당합니다.

BD로 표시된 고체-액체 곡선은 얼음과 액체 물이 평형 상태에 있는 온도와 압력을 보여주며 물의 녹는점/어는점을 나타냅니다. 이 곡선은 약간의 음의 기울기를 나타내며, 이는 압력이 증가함에 따라 물의 녹는점이 약간 감소함을 나타냅니다. 물은 이런 점에서 특이한 물질입니다. 대부분의 물질은 압력이 증가함에 따라 녹는점이 증가하기 때문입니다. 세 곡선 모두의 교차점(B로 표시)은 세 상이 모두 평형 상태로 공존하는 물의 삼중점입니다. 삼중점보다 낮은 압력에서는 온도에 관계없이 물이 액체로 존재할 수 없습니다.

또 다른 예로 이산화탄소의 상태도를 생각해 보세요.

Figure 3. 이산화탄소의 상태도.

고체-액체 곡선은 양의 기울기를 나타내며, 이는 대부분의 물질과 마찬가지로 CO_2의 녹는점이 압력에 따라 증가함을 나타냅니다. 삼중점은 1atm보다 훨씬 높으며 이는 대기압 조건에서 이산화탄소가 액체로 존재할 수 없음을 나타냅니다. 대신, 1기압에서 기체 이산화탄소를 냉각시키면 고체 상태로 침전됩니다. 마찬가지로, 고체 이산화탄소는 1기압에서 녹지 않고 대신 승화하여 기체 CO_2를 생성합니다. 마지막으로 이산화탄소의 임계점은 물에 비해 상대적으로 적당한 온도와 압력에서 관찰됩니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 10.4: Phase Diagrams.

이산화탄소는 특정한 온도와 압력 상태에서 고체, 액체 또는 기체로 존재할 수 있습니다. 이 종속성은 영역, 선 및 점의 세 가지 일반적인 기능이 포함된 상 평형그림에 매핑됩니다. 영역은 단일 상의 온도 및 압력 조건을 나타냅니다.

표준 압력에서 이산화탄소는 온도에 따라 고체 또는 기체가 될 수 있습니다. 5.1 atm 미만의 압력에서 고체 이산화탄소의 온도가 상승하면 액체 형태를 거치지 않고 기체 상으로 직접 전이됩니다. 고체에서 액체로, 그리고 액체에서 기체로 넘어가는 것과 같은 모든 세 상 사이의 전이는 5.1 atm 이상의 압력에서 발생합니다.

영역을 구분하는 선 또는 곡선은 곡선의 양쪽에 있는 상이 평형 상태에 있게 되는 온도와 압력을 나타냅니다. 예를 들어, 1 atm 및 영하 78.5도를 충족하는 지점은 고체와 증기 상을 구분하는 곡선위에 놓이므로 이러한 조건 하에서 고체-증기 평형이 존재합니다. 따라서 이 곡선을 승화곡선이라고 합니다.

마찬가지로 액체-기체 평형은 기화 곡선 상에 존재하며 고체-액체 평형은 융합 곡선 상에 존재합니다. 이러한 곡선은 일반적으로 상 경계로 알려져 있습니다. 5.1 atm과 영하 56.6 도에서는 세 가지 상이 모두 공존합니다.

이것이 이산화탄소의 삼중점입니다. 73 atm 및 31 도에서 이산화탄소의 액체 및 증기 상이 모두 단상 초임계 액체로 합쳐집니다. 이것이 이산화탄소의 임계점입니다.

임계점을 벗어난 영역에서는 압력이나 온도 변화가 초임계 액체를 기체나 액체로 변환시킬 수 없습니다. 물의 상평형 그림은 이산화탄소의 그림과 몇 가지 두드러진 차이를 가지고 있습니다. 이산화탄소의 융합 곡선은 기울기 값이 양수인 반면 물의 경우는 기울기 값이 음수입니다.

이것은 물의 비전형적인 특징입니다. 압력을 증가시키면 이산화탄소는 액체에서 고체로 전이하려고 하지만 물에서는 고체에서 액체로 전이하려고 합니다. 압력이 높을 수록 이산화 탄소는 밀도가 더 큰 고체 형태로 되려고 합니다.

물의 경우 밀도가 더 높은 액체 형태로 되려고 합니다.