상변화, 임계온도, 삼중점에 관한 기사
이상 기체 법칙에 대한 논의에서, 이상 기체 법칙은 실제 기체의 압력과 밀도가 너무 크지 않을 때에만 실제 기체의 거동을 정확하게 설명한다고 설명되었습니다. 압력과 밀도가 충분히 크면, 그리고 실제 기체의 온도가 끓는점에 가까워지면 이상 기체 법칙은 부정확한 결과를 제공합니다. 이는 실제 기체 분자들 사이의 상호작용과 관련이 있습니다. 기체의 압력은 기체의 부피에 반비례합니다. 기체의 압력이 충분히 크면 기체의 부피는 작아집니다. 기체의 부피가 작아지면 기체 분자들 사이의 거리가 가까워집니다. 분자들 사이의 거리가 가까워지면 분자들은 서로 끌어당깁니다. 마치 자석 위에 철 조각을 올려놓는 것과 같습니다. 자석과 철 사이의 거리가 충분히 멀면 자석은 철을 끌어당길 수 없습니다. 하지만 자석과 철 사이의 거리가 가까우면 철은 자석에 끌립니다.
기체 분자는 자석처럼 행동합니다. 분자 간 거리가 충분히 가까워지면 분자들은 서로 끌어당깁니다. 이 인력 때문에 분자 간 거리가 가까워지고(기체 부피가 작아짐), 일반적으로 기체의 압력이 충분히 클 때 이러한 현상이 발생합니다(압력이 높을수록 부피는 작아지고, 부피가 작아지면 분자 간 거리가 가까워집니다). 따라서 실제 기체의 압력과 밀도가 클 때는 이상 기체 법칙이 정확한 결과를 제공하지 못합니다.
압력 대 압력 부피 다이어그램
위의 문제를 더 잘 이해하기 위해 기체의 압력과 부피 사이의 관계를 나타내는 그림을 살펴보겠습니다. 곡선 1, 2, 3, 4는 각각 다른 온도에서 동일한 기체의 거동을 보여줍니다. 곡선 1의 기체 온도는 곡선 2보다 높습니다. 곡선 2의 기체 온도는 곡선 3보다 높습니다. 곡선 3의 기체 온도는 곡선 4보다 높습니다. 곡선은 그림 가운데 사선으로 표시되어 있습니다. 기체 온도는 항상 일정하며, 기체의 압력(P)과 부피(V)만 변화합니다.
이상 기체 법칙에 따르면, 1번에서 시작하는 선은 1번에서 끝나야 하고, 마찬가지로 2번에서 시작하는 선은 2번에서 끝나야 합니다. 하지만 실제 기체의 현상은 이상 기체 법칙의 예측과 일치하지 않습니다. 기체의 압력이 충분히 커지면 기체의 부피는 줄어들고 이상 기체 법칙의 예측에서 벗어납니다(곡선 1과 곡선 2 비교). 기체 부피 편차는 온도에도 영향을 받습니다. 기체의 온도가 낮아 녹는점, 즉 끓는점(점 b)에 가까워질수록 온도가 높을 때보다 부피 편차가 더 크게 나타납니다(곡선 1, 2, 3, 4 비교). 이는 앞서 설명했듯이 기체 분자 사이의 인력 때문입니다.
위 그림의 곡선 3은 물질의 임계 온도에서의 거동을 나타냅니다. 곡선 3이 지나는 점 c를 임계점이라고 합니다. 임계 온도보다 높은 온도에서는 기체 상태의 물질이 상당한 압력을 가해도 액체 상태로 변하지 않습니다(곡선 2와 곡선 1 비교). 가해지는 압력은 기체의 부피만 줄일 뿐 액체로 변환시키지는 못합니다. 반대로 임계 온도보다 낮은 온도에서는 절대적인 압력을 가하면 기체가 액체로 변합니다(곡선 3 비교). 임계 온도에서 기체를 액체로 변환시킬 수 있는 압력을 임계 압력이라고 합니다. 각 물질은 서로 다른 임계 온도와 임계 압력을 가집니다.
위 그림의 곡선 4는 기체가 액체로 변하는 과정을 보여줍니다. 음영 처리된 영역(산처럼 보이는 부분)은 기체와 액체가 평형 상태에 있는 영역입니다. 처음에는 기체의 부피가 큽니다. 기체 압력이 증가함에 따라 기체의 부피는 점 b(녹는점 또는 끓는점)에 도달할 때까지 감소합니다. 점 b에 도달하면 기체는 액체로 변하기 시작합니다. 기체가 액체로 변하는 과정(점 b에서 점 a로) 동안 압력은 증가하지 않지만(직선으로 표시됨) 물질의 부피는 줄어듭니다. 점 a에서는 모든 기체가 액체로 변합니다. 점 a에 도달한 후 물질에 압력을 가해도 부피 변화는 미미합니다(매우 가파른 곡선으로 표시됨).
일상생활에서 우리는 수증기와 기체라는 용어를 자주 사용합니다. 예를 들어 수증기나 질소 기체처럼 말이죠. 수증기는 물에서 발생하는 기체이지만, 우리는 수증기를 수증기라고 부르는 경우는 거의 없습니다. 질소, 산소 등도 마찬가지입니다. 질소나 산소는 보통 기체라고 부릅니다. 기체와 수증기는 서로 다른 의미를 가지고 있습니다. 어떤 물질에서 발생하는 기체가 그 물질의 임계 온도보다 낮으면 수증기라고 부릅니다. 반대로 어떤 물질에서 발생하는 기체가 그 물질의 임계 온도보다 높으면 기체라고 부릅니다.
압력 대 온도 도표 (상태도)
이전에는 압력-부피(PV) 그래프를 이용하여 물질의 거동을 설명했습니다. PV 그래프 외에도 압력(P)-온도(T) 그래프를 사용하여 물질의 거동을 설명할 수 있습니다. PT 그래프는 일반적으로 상평형 그림이라고 불립니다. 이 그림은 물질의 여러 상태를 비교하는 데 사용되기 때문에 상평형 그림이라고 합니다. 상변화를 자주 하는 물질 중 하나는 물입니다.
도표에는 증발 곡선, 용융 곡선, 승화 곡선의 세 가지 곡선이 있습니다.
증발 곡선은 액체와 기체가 평형을 이루는 지점을 보여줍니다. 액체와 기체가 평형을 이루는 지점을 녹는점 또는 끓는점이라고 합니다. (녹는점이라고 하는 이유는 이 지점에서 수증기가 녹아 물이 되기 때문이고, 끓는점이라고 하는 이유는 이 지점에서 물이 끓어 수증기가 되기 때문입니다.) 따라서 증발 곡선은 압력(P)과 끓는점/녹는점 사이의 관계를 나타내는 그래프입니다. 압력이 낮을수록 물의 끓는점은 낮아지고, 압력이 높을수록 물의 끓는점은 높아집니다. 1기압에서 물의 끓는점은 100℃입니다. 반대로 218기압에서 물의 끓는점은 374 ℃ 입니다.
218기압은 물의 임계 압력이라고 하며, 374 ℃ 는 물의 임계 온도라고 합니다. 증기 온도가 374℃보다 낮으면 , 374 ℃ 의 압력을 가했을 때 증기는 액체로 상변화할 수 있습니다. 하지만 온도가 218 ℃ 보다 높으면 압력을 가해도 증기는 액체로 변하지 않습니다.
융해 곡선은 액체와 고체가 평형을 이루는 지점을 보여줍니다. 액체와 고체가 평형을 이루는 지점을 융점 또는 어는점이라고 합니다(융점이라고 하는 이유는 이 지점에서 얼음이 물로 녹을 수 있기 때문이고, 어는점이라고 하는 이유는 이 지점에서 물이 얼음으로 얼 수 있기 때문입니다). 따라서 융해 곡선은 압력(P)과 융점 또는 어는점 사이의 관계를 나타내는 그래프입니다. 1기압에서 물의 어는점(또는 얼음의 융점)은 0 ° C입니다. 반대로 218기압에서는 물의 어는점(또는 얼음의 융점)이 0 ° C보다 낮습니다. 1기압에서 물이 액체 상태일 때 온도는 0°C에서 100 ° C 사이입니다. 1기압에서 온도가 0 ° C보다 낮으면 고체 상태이고, 1기압에서 온도가 100 ° C 를 초과하면 수증기 상태입니다.
승화 곡선은 고체와 기체가 평형 상태에 있는 지점을 보여줍니다. 
평형 상태를 승화점이라고 합니다. 따라서 승화 곡선은 승화점에서의 압력(P)과 온도의 관계를 나타내는 그래프입니다. 승화는 고체가 액체를 거치지 않고 수증기로 변하는 과정입니다. 일반적으로 승화는 낮은 압력에서만 발생합니다. 얼음은 온도가 0.01V 미만일 때만 승화할 수 있습니다. oC이고 압력은 0.006 atm 미만입니다. 세 곡선이 만나는 지점을 삼중점이라고 합니다.
아래는 이산화탄소의 상평형 그림입니다. 물의 상평형 그림과 이산화탄소의 상평형 그림의 눈금은 선형이 아님을 유의하십시오.
