물질의 상태 변화(중)
입자 모형으로 물질의 세 가지 상태와 상태 변화를 설명하고 열에너지와의 관계를 이해한다.
물질의 상태가 고체·액체·기체로 바뀌는 것은 입자의 종류나 개수가 변하는 것이 아니라 입자의 배열과 입자 사이의 거리가 바뀌는 것이며, 이 변화에는 반드시 열의 출입이 따릅니다.
고체는 자리를 정해 앉은 교실, 액체는 쉬는 시간에 서로 붙어 돌아다니는 복도, 기체는 운동장에 흩어져 뛰어다니는 상태입니다. 학생 수는 내내 그대로입니다.
쉽게 말하면
물질의 성질과 물의 상태 변화에서 물이 얼고 끓는 것을 보았습니다. 이제 그 안에서 입자에게 무슨 일이 일어나는지 봅시다.
고체에서는 입자가 규칙적으로 배열되어 제자리에서 진동만 합니다. 열을 받으면 입자의 운동이 활발해지고, 입자 사이를 붙잡고 있던 힘을 이겨 낼 만큼 활발해지면 배열이 무너져 액체가 됩니다(융해). 액체 입자가 더 활발해져 서로에게서 완전히 떨어져 나가면 기체가 됩니다(기화).
여기서 가장 중요한 사실은 이것입니다. 상태가 변해도 입자의 종류와 개수는 하나도 변하지 않습니다. 달라지는 것은 배열과 사이 거리뿐입니다. 그래서 상태가 변해도 질량은 변하지 않고, 부피만 달라집니다.
또 하나. 상태가 변하는 동안에는 열을 계속 공급해도 온도가 오르지 않습니다. 공급한 열이 온도를 올리는 데 쓰이지 않고, 입자 사이를 붙들고 있는 힘을 끊는 데 전부 쓰이기 때문입니다. 얼음물을 가열하면 얼음이 다 녹을 때까지 0 ℃에 머무는 것, 물이 끓는 동안 100 ℃에서 꼼짝하지 않는 것이 그 증거입니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1가열 곡선의 평평한 구간얼음을 일정한 세기로 계속 가열하며 온도를 재면, 온도가 오르다가 0 ℃에서 평평해지고, 다시 오르다가 100 ℃에서 또 평평해집니다. 평평한 구간에서는 공급한 열이 전부 상태를 바꾸는 데 쓰이고 있습니다. 열이 사라진 것이 아니라 눈에 보이지 않는 곳에 쓰이는 중입니다.
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예시 2알코올을 손등에 바르면 시원한 이유액체가 기체로 변할 때는 주위에서 열을 흡수해야 합니다. 알코올이 기화하면서 손등의 열을 빼앗아 가기 때문에 시원하게 느껴집니다. 더울 때 마당에 물을 뿌리거나, 냉장고와 에어컨이 시원한 바람을 만드는 원리도 똑같습니다.
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예시 3겨울철 과수원에 물을 뿌리는 까닭물이 얼어 얼음이 될 때는 반대로 열을 내놓습니다. 그래서 갑자기 기온이 떨어지는 밤에 과수원에 물을 뿌려 두면, 물이 얼면서 내놓는 열이 주변 온도가 급격히 떨어지는 것을 막아 열매가 어는 피해를 줄여 줍니다.
증발 vs 끓음 — 둘 다 액체가 기체가 되는 일이지만
| 구분 | 증발 | 끓음 |
|---|---|---|
| 일어나는 곳 | 액체의 표면에서만 | 액체의 표면과 내부에서 동시에 |
| 일어나는 온도 | 끓는점보다 낮은 어떤 온도에서도 | 끓는점에서만 |
| 속도 | 천천히 | 빠르게 |
| 눈에 보이는 것 | 젖은 빨래가 서서히 마름 | 액체 속에서 기포가 올라옴 |
자주 하는 오해
상태가 변하면 질량도 변한다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움물이 수증기가 되어 날아가면 가벼워지고, 눈에 안 보이니 없어진 것이다
실제로는입자의 개수와 종류가 그대로이므로 질량은 변하지 않습니다. 밀폐된 용기 안에서 물을 수증기로 만들어 무게를 재면 정확히 같습니다.
열린 그릇에서 가벼워 보이는 것은 수증기가 그릇 밖으로 빠져나갔기 때문이지, 물질이 사라진 것이 아닙니다. 변하는 것은 입자의 배열과 사이 거리, 즉 부피뿐입니다.
끓는 동안에도 계속 가열하니 온도가 계속 올라간다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움불을 더 세게 하면 끓는 물의 온도가 100 ℃보다 높아진다
실제로는불을 세게 해도 끓는 물의 온도는 100 ℃에서 더 오르지 않습니다. 다만 더 빨리 끓어 없어질 뿐입니다.
공급한 열이 온도를 올리는 데 쓰이지 않고 입자를 서로 떼어 내 기체로 만드는 데 전부 쓰이기 때문입니다. 온도는 '입자 운동이 얼마나 활발한가'인데, 이때 활발함은 그대로 두고 거리를 벌리는 일에만 열이 들어가는 셈입니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
자주 묻는 질문
Q1액체를 거치지 않고 바로 기체가 되기도 하나요?
네, 그것을 승화라고 합니다. 드라이아이스가 녹지 않고 바로 하얀 김을 내며 사라지는 것, 옷장 속 나프탈렌이 조금씩 작아지는 것이 그 예입니다. 반대로 기체가 바로 고체가 되기도 하는데, 서리가 그렇게 생깁니다.
Q2물은 왜 얼면 부피가 커지나요?
대부분의 물질은 고체가 될 때 입자가 촘촘히 모여 부피가 줄지만, 물은 얼음이 될 때 입자가 규칙적인 육각형 구조로 배열되면서 그 사이에 빈 공간이 생깁니다. 그래서 부피가 늘어나 얼음이 물에 뜨고, 물이 든 페트병을 얼리면 터집니다.
Q3상태 변화는 화학 변화인가요?
아닙니다. 물이 수증기가 되어도 여전히 물이고, 다시 식히면 그대로 물로 돌아옵니다. 물질을 이루는 입자 자체가 다른 물질로 바뀌지 않으므로 물리 변화입니다.
교육과정 2022 개정 · 중1 통합과학 · 물질의 상태 변화
수록 기본 (교육과정 단원)
'입자의 종류가 변하지 않는다'는 이 말이 무슨 뜻인지 제대로 알려면, 그 입자가 무엇인지 알아야 합니다. 물질과 규칙성으로 이어서 보세요.
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