상평형 그림
쉽게 말하면
상평형 그림에는 세 개의 국경선이 있습니다. 고체와 기체를 가르는 승화 곡선, 고체와 액체를 가르는 융해 곡선, 액체와 기체를 가르는 증기압 곡선입니다. 이 중 증기압 곡선은 이미 만나 본 적이 있습니다 — 증기압과 끓는점에서 그린 바로 그 곡선입니다. 이 곡선 위의 점은 '그 압력에서의 끓는점'을 뜻합니다. 그래서 압력이 낮아지면 끓는점이 내려간다는 사실이 곡선의 모양 하나로 보입니다.
세 곡선이 한 점에서 만나는 곳이 삼중점입니다. 이 온도와 압력에서만 고체·액체·기체가 동시에 공존합니다. 물의 삼중점은 부근의 아주 낮은 압력(약 기압)에 있습니다.
증기압 곡선의 오른쪽 끝은 무한히 이어지지 않고 임계점에서 뚝 끊깁니다. 이보다 온도와 압력이 높아지면 액체와 기체의 경계가 사라져, 밀도는 액체 같으면서 흐름은 기체 같은 초임계 유체가 됩니다. 곡선이 끊긴다는 것은 곧 '액체를 기체로 바꾸는 경계면이 없다'는 뜻입니다.
물의 상평형 그림에는 유명한 특이점이 하나 있습니다. 대부분의 물질은 융해 곡선이 오른쪽으로 기울어 있는데(압력이 높을수록 녹는점이 올라감), 물은 왼쪽으로 기울어 있습니다. 압력을 높이면 얼음이 오히려 녹는다는 뜻입니다. 이유는 얼음이 물보다 밀도가 작기 때문입니다 — 얼음은 수소 결합 때문에 성긴 구조를 이루어 부피가 크고, 압력을 높이면 부피가 작은 쪽(물)이 유리해집니다. 얼음이 물에 뜨는 현상과 이 곡선의 기울기는 같은 사실의 두 얼굴입니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1드라이아이스는 왜 녹지 않고 사라지는가의 삼중점 압력은 기압보다 훨씬 높습니다(약 기압). 우리가 사는 기압은 삼중점보다 아래에 있으므로, 그 높이에서 온도를 올리며 오른쪽으로 가면 액체 영역을 지나지 않고 고체에서 곧바로 기체 영역으로 넘어갑니다. 그래서 드라이아이스는 승화합니다. 특이한 물질이라서가 아니라, 우리가 사는 압력이 낮아서입니다.
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예시 2액체 이산화 탄소도 존재한다소화기나 산업용 탱크처럼 압력을 충분히 높이면 도 액체가 됩니다. 상평형 그림에서 삼중점보다 위쪽 압력으로 올라가면 고체와 기체 사이에 액체 영역이 나타나기 때문입니다. '드라이아이스는 절대 액체가 안 된다'는 말이 틀린 이유입니다.
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예시 3초임계 유체로 카페인 빼내기임계점을 넘긴 는 기체처럼 좁은 틈으로 잘 스며들면서 액체처럼 물질을 잘 녹입니다. 이 성질을 이용해 커피 원두에서 카페인만 골라 뽑아내는 데 씁니다. 유기 용매를 쓰지 않아도 되고, 압력을 낮추면 가 곧바로 기체로 날아가 버리므로 뒤처리도 깔끔합니다.
순서대로 하면
- 1가로축(온도)과 세로축(압력)에서 지금 조건에 해당하는 점을 찍습니다.
- 2그 점이 어느 영역에 있는지 봅니다 — 왼쪽 위가 고체, 오른쪽 아래가 기체, 그 사이가 액체입니다.
- 3조건을 바꾸는 과정은 그림 위에서 '선'을 그리는 일입니다. 압력을 고정한 채 가열하면 오른쪽으로 수평 이동합니다.
- 4그 선이 어떤 국경선을 지나는지 확인합니다. 국경선을 지날 때마다 상태 변화가 일어납니다.
- 5기압 수평선이 융해 곡선·증기압 곡선과 만나는 온도가 각각 그 물질의 녹는점과 끓는점입니다.
자주 하는 오해
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 물질의 세 가지 상태
자주 묻는 질문
Q1삼중점과 녹는점은 다른 건가요?
Q2왜 액체 영역이 '가운데'에 있나요?
Q3이 그림에서 이상 기체 법칙은 어디에 해당하나요?
상 경계선의 위치를 결정하는 것은 결국 분자를 붙잡는 힘입니다. 분자간 힘과 끓는점에서 물질마다 곡선이 왜 다른 자리에 있는지 확인해 보세요.
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