上 (物理學)

上 (相, 英語 : phase )은 物理學 에서 일정한 物理的性質을 가지는 均一한 物質界를 말한다. 物質의 狀態 가운데 固體 , 液體 , 機體 가 代表的이다. 그 밖에도 플라즈마 , 液晶 , 初有體 , 超固體 , 磁石等도 物質의 賞이다.

賞의 種類 [ 編輯 ]

賞이란 基本的으로 固體, 液體, 氣體와 같이 物質이 갖는 여러 가지 狀態를 말한다. 이러한 賞은 基本的으로 여러 가지 巨視的性質을 보면 區別할 수 있다. 例를 들어, 흐를 수 있는지에 따라 固體와 流體 로 賞을 區別할 수 있고, 流體도 容器에 담았을 때 날아가 버리는지, 고이는지에 따라 液體와 氣體로 區別할 수 있다. 어떤 物質의 境遇엔 固體, 液體, 氣體와 같이 單純하게 몇 個의 賞만 있는 것이 아니라 더 많은 여러種類의 床을 갖기도 한다. 例를 들어 炭素의 境遇, 잘 알려진 上으로 다이아몬드와 黑鉛이 있다. 두 決定은 모두 均一하고, 일정한 物理的性質을 갖고, 같은 種類의 原子로 構成되어 있고, 固體의 性質을 갖지만, 決定構造가 다름으로 인해 다른 物理的性質이 생기게 된다. 또한 헬륨( ⁴He)의 境遇에는 He I 과 He II 라는 두가지 液體床을 갖기도 한다.

위의 像들은 基本的으로 溫度와 壓力의 變化를 통해 얻어지는 賞들이지만, 다른 變化를 줌으로써 생기는 變化에 對해서도 여러 가지 賞을 定義할 수 있다. 例를 들어, 外部에서 주는 磁氣場과 溫度의 變化에 따라 超傳導狀態 를 갖는 物質은 超傳導狀態와 普通狀態 두가지로 나눌 수 있고, 强磁性의 方向이 위쪽 또는 아래쪽이 되는 두가지 上으로 區別할 수도 있다.

一般的으로, 이러한 想들의 境界는 巨視的物理量들이 不連續的으로 變化하는 區間을 통해 像의 境界를 定義할 수 있다.

上典이 [ 編輯 ]

鐵은 固體, 물은 液體, 空氣는 氣體라고 하듯이 物質의 種類에 따라 各各의 狀態가 定해져 있는 것이 아니라, 이들 狀態는 溫度等의 條件에 따라 變化한다. 例를 들면, 물은 普通液體이지만 이것을 加熱하면 蒸發하여 水蒸氣(氣體)가 되고, 冷却시키면 얼어서 얼음(固體)李變한다. 이와 같이 물은 固體·液體·氣體의 3가지 狀態로 變化하는데, 이와 마찬가지로 다른 많은 物質도 3가지 狀態로 變化한다. 鐵道鎔鑛爐에서 볼 수 있는 바와 같이 强하게 加熱하면 液體가 된다. 그리고 條件에 따라서는 氣體로도 된다. 또, 空氣는 普通機體이지만 壓力을 加하고 冷却시키면 液體가 되고, 固體로도 된다. 이와 같이, 鐵이나 空氣는 條件에 따라 固體·液體·氣體의 어떤 狀態로도 될 수 있다. 그러나 物質에 따라서는 3가지 狀態로 變하지 않는 것도 있다. 例를 들면, 雪糖은 加熱하면 녹아서 液體가 되지만, 더욱 加熱하면 蒸氣로 되지 않고 分解하고 만다. 종이는 液體가 되는 일도 없이 分解하고 만다. 이와 같이, 物質中에는 3가지 狀態로 變하는 것과 變하지 않는 것이 있다. 또, 어떤 物質이든 固體로는 되지만 物質에 따라서는 液體나 氣體가 되지 않는 것도 있다. 固體가 液體로 變하는 일을 '溶融' 또는 '融解'라 하고, 液體가 氣體로 變하는 것을 '蒸發' 또는 '氣化'라고 부른다. 反對로 氣體가 液體로 變하는 것을 '凝結' 또는 '液化'라 하고, 液體가 固體로 되는 것을 '凝固'라고 부른다. 物質의 固體·液體·氣體狀態를 上(phase)이라 부르기도 한다. 얼음은 물의 固體相이고, 水蒸氣는 물의 氣體相이며, 室溫에서의 물은 液體相이다. 또한, 固體가 鎔融하거나 氣體가 凝結하는 等의 變化를 賞變化라고 한다. 나프탈렌이나 樟腦는 加熱하면 液體가 되지 않고 直接固體에서 氣體로 된다. 또, 氣體가 液體로 되지 않고, 直接固體로 되는 것도 있다. 이러한 現象을 어느 쪽이나 '昇華'라고 한다. 昇華의 例로는 이들 外에 아이오딘 이 잘 알려져 있으며, 물에도 昇華하는 性質이 있다. 0°C 以下의 氣溫이 繼續될 때 쌓인 눈이 녹지 않으면서도 줄어드는 것은 昇華에 依한 것이다. 그런데 얼음을 加熱하면 0°C에서 녹아 물이 되고, 더욱 加熱하면 1氣壓下에서는 100°C에서 끓어서 水蒸氣가 進化한다. 이와 같이 物質中에는 固體가 液體로 되는 溫度와 液體가 1氣壓下에서 氣體로 되는 溫度가 分明히 定해져 있는 것이 많다. 이 溫度를 各各 녹는點, 끓는點이라고 한다. 反對로 氣體가 液體로 變하는 溫度를 液化溫度, 液體가 固體로 變하는 溫度를 어는點이라고 한다. 녹는點과 어는點, 끓는點과 液化溫度는 各各 같은데, 이 溫度를 境界로 하여 狀態가 變하는 것이다. 1氣壓下에서 昇華하는 溫度는 '昇華點'이라고 불린다.

狀態坪型 그림 [ 編輯 ]

鐵이나 물, 空氣는 溫度나 壓力의 條件을 바꾸면 狀態가 變化하는데, 이것을 좀 더 仔細히 알아보기로 하자.

열린 系와 닫힌 界 [ 編輯 ]

물을 컵에 넣고, 뚜껑을 닫지 않고 空氣속에 놓아두면 물은 차차 蒸發하여 없어져 버린다. 그러나, 뚜껑을 단단히 닫아두면 물은 없어지지 않는다. 이 境遇의 물과 水蒸氣처럼 關聯이 있는 것을 합쳐서 界(表)라 부르기도 한다. 위의 例에서는 컵 안에 있는 물과 컵 周圍에 있는 水蒸氣의 契에 對해서 增發의 問題를 생각할 수 있다. 여기서 뚜껑을 덮지 않은 狀態를 열린 界, 뚜껑을 덮은 狀態를 닫힌 契라고 한다. 뚜껑을 덮지 않은 컵과 같은 열린 界에서는 물과 水蒸氣가 共存하는데, 水蒸氣는 컵 밖으로 自由롭게 퍼져 나갈 수 있기 때문에 컵에서 物質이 빠져 나간다. 따라서, 系 안에 있는 物質의 全量이 變化한다. 한便, 뚜껑을 덮은 컵과 같은 닫힌系에서는 水蒸氣가 밖으로 빠져 나가지 못하기 때문에 컵 안에 있는 物質의 全量은 變化하지 않는다. 이와 같이, 열린 系와 닫힌 契에서는 物質이 出入할 수 있느냐 없느냐의 差異가 있지만, 어느 界에서나 에너지는 出入할 수 있다.

相平衡 그림 [ 編輯 ]

열린 界에서는 물이 繼續蒸發하여 물이 다 없어질 때까지 變化가 繼續되지만, 닫힌 契에서는 얼마 後蒸發을 멈추고, 一定溫度 아래에서는 그 以上狀態의 變化가 일어나지 않는다. 이때, 물과 水蒸氣의 契는 平衡狀態에 있다고 하고. 이와 같이 平衡狀態에 있는 蒸氣를 飽和蒸氣, 그 壓力을 飽和蒸氣壓이라고 한다. 여기서 溫度를 높이면 물은 水蒸氣로 變하고 水蒸氣의 量이 增加하여 그 壓力이 增加한다. 反對로 溫度를 내리면 水蒸氣는 물로 變하고, 水蒸氣의 量이 減少하여 그 壓力도 減少한다. 또, 얼음이 昇華하여 水蒸氣로 되거나 水蒸氣가 昇華하여 얼음이 될 때도 얼음과 水蒸氣 사이에는 위와 같은 關係가 成立된다. 또한, 얼음과 물은 0°C에서 함께 存在할 수 있는데, 그 以下의 溫度에서도 壓力을 加하면 얼음이 若干 녹아서 液體인 물이 된다는 事實도 알려져 있다. 卽, 얼음과 물이 함께 存在하는 溫度도 壓力에 따라 달라진다. 따라서, 物議凝固點(어는點)인 0°C나 끓는點인 100°C는 모두 1氣壓에서의 溫度이고, 壓力이 增加하면 凝固點은 내려가고 끓는點은 올라간다. 이와 같은 狀態의 變化와 溫度나 壓力과의 關係를 알아보기 위해 세로軸에 壓力, 가로軸에 溫度를 나타내는 그래프를 그리면 그림과 같이 된다. 이 그래프를 相平衡 그림이라고 한다. 그림에서 AT는 얼음과 水蒸氣가 함께 存在할 수 있는 壓力과 溫度를 나타내고 BT는 물과 얼음이 함께 存在할 수 있는 壓力과 溫度를 나타낸다. 또 CT는 물과 水蒸氣가 함께 存在할 수 있는 溫度를 나타낸다. T點의 壓力과 溫度에서는 얼음과 물과 水蒸氣가 同時에 安定하게 存在할 수 있으므로 이것을 '三重點'이라고 한다. 三重點의 壓力은 水蒸氣壓으로 4.58mmHg(높이 4.58mm의 水銀柱가 나타내는 壓力) 溫度는 0.0075°C이다. 이 그래프는 얼음·물·水蒸氣 사이의 平衡을 나타내고 있으므로 空氣는 考慮하지 않은 것이다. 普通 물의 凝固點은 760mmHg의 代氣壓 아래에서 0°C이므로, 三重點의 값과는 좀 다르다. 또, 물을 徐徐히 冷却시키면 三重點以下로 내려가도 얼음이 되지 않고 液體狀態를 얼마 동안 維持한다. 이것을 過冷却狀態라고 하는데, 이 狀態는 安定된 狀態가 아니며, 휘젓거나 작은 얼음덩어리를 넣으면 今方全體가 얼고 만다. 물뿐만 아니라 3가지 狀態를 分明히 나타내는 物質에 對해서는 이러한 相平衡 그림을 各各 그릴 수가 있다.

臨界溫度와 臨界壓力 [ 編輯 ]

液體인 물은 1氣壓 100°C에서 水蒸氣로 變한다. 따라서 1氣壓下에서는 100°C 以上의 溫度에서 液體인 물은 存在하지 않는다. 100°C 以上의 溫度에서 물을 液體狀態 그대로 維持하려면 壓力을 加할 必要가 있다. 壓力을 加해서 218.3氣壓이 되면 물의 끓는點은 374.2°C가 된다. 그러나 그 以上의 溫度가 되면 壓力을 繼續加해도 물은 더 異常液體狀態를 維持하지 못한다. 이 溫度를 물의 臨界溫度라 하고, 이때의 壓力을 臨界壓力이라고 부른다. 空氣는 1氣壓에서는 아무리 溫度를 내려도 液體가 되지 않는다. 溫度를 －140.7°C로 내리고 37.2氣壓보다 큰 壓力을 加하면 비로소 液體가 된다. 卽, 空氣의 臨界溫度는 140.7°C이고, 臨界壓力은 37.2氣壓이다. 이 以下의 溫度에서는 더 낮은 壓力을 加해도 液體가 된다.

狀態의 變化와 에너지 [ 編輯 ]

얼음을 녹이려면 熱을 加해서 溫度를 높여야 하고, 물을 얼리려면 熱을 빼앗아 溫度를 내려야 좋다. 이와 같은 狀態의 變化와 熱의 出入關係를 알아보기로 하자.

吸熱變化와 發熱變化 [ 編輯 ]

얼음을 물로 變하게 하거나 물을 얼음으로 變하게 하는 境遇와 같이, 固體―→液體―→氣體의 變化는 熱을 吸收하는 變化, 卽吸熱變化(吸熱變化)이다. 이때 吸收되는 熱은 物質의 內部에 에너지로서 貯藏된다. 이와는 反對로, 水蒸氣를 물로 바꾸거나 물을 얼음으로 바꾸는 境遇와 같이, 機體―→液體―→固體의 變化는 熱을 放出하는 變化, 卽發熱變化(發熱變化)이다. 이때 放出되는 熱은 物質이 內部 에너지로서 가지고 있던 것의 一部이다. 이와 같이 狀態의 變化에는 熱의 出入 또는 物質의 內部 에너지의 增減이 隨伴된다.

潛熱 [ 編輯 ]

얼음과 물이 섞여 있는 것을 加熱해도, 2가지가 함께 存在하는 동안에는 그 溫度는 O°C를 維持한다. 이것은 外部에서 加해진 熱이 溫度를 변화시키는 데에 使用되지 않고 固體―→液體라는 上變化를 위해 使用되기 때문이다, 이와 같이 溫度를 변화시키지 않고 但只狀態의 變化를 위해 使用되는 熱을 潛熱 (숨은熱)이라고 한다. 鎔融 때의 潛熱은 溶融熱(또는 融解熱)이라고 한다. 물을 加熱하면 溫度가 漸漸 올라가서 1氣壓에서 100°C가 되면 물의 表面뿐만 아니라 內部에서도 水蒸氣로 變하여 거품이 많이 나온다. 이것이 끓음(또는 沸騰)의 現象이다. 끓음이 繼續되는 동안 溫度는 100°C로 維持된다. 이 境遇도 外部로부터 加해진 熱은 溫度는 변화시키지 않고 液體―→氣體의 賞變化를 위해 使用되고 있다. 이와 같은 氣體의 潛熱을 氣化熱(또는 蒸發熱)이라고 한다. 0°C에서 얼음 1몰을 完全히 鎔融시키려면 1.44kcal의 熱量을 加해 주어야 하는데, 이것을 얼음의 몰 溶融熱(또는 몰 融解熱)이라고 한다. 또, 100°C에서 물 1몰을 完全히 기화시키려면 9.72kcal의 熱量을 加해 주어야 하는데, 이것을 물의 몰 氣化熱(또는 몰 蒸發熱)이라고 한다. 이와 反對로 水蒸氣가 물로, 다시 물이 얼음으로 바뀔 때는 氣化熱 또는 溶融熱과 같은 量의 熱이 放出된다. 卽 1몰의 水蒸氣가 물로 變할 때 放出되는 몰 서림熱(또는 몰 凝結熱)은 몰 氣化熱과 같고 1몰의 물이 얼음으로 變할 때 放出되는 閱人 몰 凝固熱은 몰 溶融熱과 그 크기가 비숫하다. 또, 昇華 때의 潛熱은 昇華熱이라고 한다.

物質의 粒子性 [ 編輯 ]

소금물을 증발시키면 뒤에 작은 正六面體人 소금 結晶이 나타난다. 이것은 無色透明한 소금물 속에 흩어져 있던 結晶과 같은 것이므로, 소금은 元來 작은 粒子로 이루어진 것이 아닐까 하고 推測해 볼 수 있다. 또, 決定이 規則的인 形態를 이루고 있다는 것은, 그것을 構成하고 있는 粒子의 配列이 規則的이기 때문이다. 소금을 强하게 加熱하면 녹아서 液體가 되는데, 이것은 結晶을 이루고 있던 粒子가 어느 程度自由롭게 움직일 수 있게 되었다고 생각하면 된다. 이것을 더욱 加熱하면 蒸氣가 되어 눈에 보이지 않게 되며, 自由롭게 퍼져 나간다. 이것은 結晶粒子가 더욱 흩어져서 自由롭게 움직일 수 있게 되었기 때문이다.

物質의 構成粒子 [ 編輯 ]

위에서는 소금이 아주 작은 粒子로 構成되어 있다고 하고 物質의 變化를 생각해 보았는데, 一般的으로 物質은 어떻게 構成되어 있는지 알아보자. 物質을 構成하고 있는 粒子에는 原子·分子·이온 等이 있다.원자는 처음에는 物質을 構成하는 가장 작은 粒子로 생각되었지만, 現在元子는 그보다 작은 基本粒子라고 불리는 여러 가지 粒子로 構成되어 있다는 것이 알려져 있다. 이온은 原子가 (＋)나 (－)의 電氣를 띤 것이다. 分子는 機體에서 흔히 볼 수 있듯이, 2個以上의 原子가 結合하여 한 雙이 되어 行動하는 것을 말한다.

3가지 狀態의 變化와 粒子 [ 編輯 ]

物質의 化學的性質이나 化學變化의 構造를 알아보기 위해서는 原子·分子·이온 等에 對해서 잘 알고 있어야 한다. 그러나 3가지 狀態의 變化는 이들을 單純히 粒子로서 다루어도 그 大綱은 理解할 수 있다. 그러므로 原子·分子·이온에 對한 仔細한 說明은 뒤로 미루기로 하고, 여기서는 3가지 狀態의 變化를 粒子의 行動에 立脚해서 다시 살펴보기로 한다. 固體 속에서 粒子는 規則的으로 配列되어 조금밖에 움직일 수 없지만, 加熱하면 그 에너지를 吸收하여 次次活潑한 運動을 하게 된다. 녹는點에서 粒子는 規則的인 配列을 무너뜨리고 자유롭게 運動하게 되지만, 이를 위해 에너지가 必要하며, 모든 粒子가 自由롭게 움직이게 될 때까지 溫度는 올라가지 않는다. 液體가 되면 溫度가 다시 올라가서 粒子는 漸漸活潑하게 運動하고, 一部는 액체면으로부터 空中으로 뛰쳐 나간다. 끊는점에 이르면 粒子는 서로 完全히 자유롭게 되고, 液體의 內部에서도 氣體形態(거품)가 되어 液體面으로부터 뛰쳐 나간다. 液體인 동안은 아직 粒子가 서로 끌어당기고 있지만, 여기서 完全히 떨어지기 위해 에너지가 使用되며, 液體가 남아 있는 동안에는 溫度는 變하지 않는다.

같이 보기 [ 編輯 ]

參考文獻 [ 編輯 ]

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