위상 다이어그램 정의

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상 다이어그램은 서로 다른 조건에서 시스템의 서로 다른 열역학적 평형 상태를 그래픽으로 표현한 것입니다. 이 유형의 그래프를 사용하면 무엇보다도 특정 조건에서 존재하는 상을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 이원 혼합물 또는 더 복잡한 혼합물 의 경우 각 상이 발견되는 비율과 구성을 예측할 수 있습니다 .

위상 다이어그램의 유형

단일 성분 상 다이어그램(순수 물질 다이어그램)

이 다이어그램은 다양한 온도 및 압력 값에서 순수한 물질을 찾을 수 있는 다양한 단계 또는 응집 상태를 보여줍니다. 이러한 상 다이어그램은 특히 온도 및 압력 조건이 현저하게 다른 특성을 가진 여러 가지 다른 결정 구조의 형성을 선호할 수 있는 고체상에서 매우 복잡해질 수 있습니다 .

순수한 물질에 대한 상도의 일반적인 모양은 다음과 같습니다.

위상 다이어그램 정의
물과 같은 순수 물질의 전형적인 상 다이어그램.

순수한 물질의 전형적인 상태 다이어그램의 두 가지 예는 원소 탄소와 헬륨의 상태 다이어그램이며 다음 그림에 나와 있습니다. 비금속인 탄소는 다른 고체 동소체(흑연 및 다이아몬드)에서 발생할 수 있습니다. 액체 및 기체 상태에서도 발생할 수 있습니다. 헬륨의 경우 쉽게 액화될 수 없는 기체입니다.

위상 다이어그램 정의

바이너리 시스템의 위상 다이어그램(2성분 다이어그램)

이진 상 다이어그램은 시스템의 전체 구성(일반적으로 X축에 표시됨)의 함수로 두 구성 요소(이진 시스템)로 구성된 시스템에서 서로 다른 온도 또는 압력에서 형성되는 상을 그래픽으로 표현한 것입니다. .

혼합물의 특정 성분에 따라 이러한 시스템은 다양한 유형의 상 다이어그램을 생성할 수 있습니다. 이러한 다이어그램 중 일부에서는 순수한 구성 요소의 개별 상이 서로 다른 응집 상태(고체, 액체 또는 기체)로 형성되는 반면, 다른 경우에는 두 구성 요소의 균일한 상이 형성됩니다.

두 개의 이진 위상 다이어그램이 아래에 나와 있습니다. 전자는 공융 혼합물 을 형성하는 이원 시스템의 예인 반면 후자는 그렇지 않습니다.

위상 다이어그램 정의

위상 다이어그램 정의

3원 시스템의 위상 다이어그램(3개 구성 요소의 다이어그램)

이 다이어그램에서 삼각형은 각 측면에서 세 가지 구성 요소 사이에 형성될 수 있는 세 가지 이진 시스템 각각의 구성을 나타내는 데 사용됩니다. 삼각형 내부의 모든 점은 명확한 구성의 삼원 시스템을 나타냅니다.

이러한 경우 각 종의 농도는 몰 분율 또는 질량 분율 (모든 분율의 합이 1이 되도록 함) 또는 백분율(총 농도의 합이 항상 100%가 되도록 함)으로 표시되어야 합니다. ).

위상 다이어그램의 정의

시스템의 각 가능한 구성에 대해 고정된 온도와 압력에서 존재하는 상이 표시됩니다.

위상 다이어그램의 구성

상 다이어그램의 구성 프로세스는 이론적으로 또는 실험적 정보에서 수행할 수 있습니다. 첫 번째 경우 열역학 방정식은 시스템의 특성과 구성에 따라 시스템의 평형 상태(순수 물질, 이원 혼합물 또는 삼원 시스템)를 계산하는 데 사용됩니다. 비교적 간단한 시스템을 제외하고 이 접근 방식은 상당히 복잡하고 실행하기 어렵습니다.

실험적 관점에서 상도를 만드는 데 사용되는 절차는 일반적으로 해당 상도의 유형에 관계없이 비슷합니다. 대부분의 경우 구하는 것은 구성 및 기타 속성의 관점에서 잘 정의된 초기 상태의 시스템에서 시작하는 것이며 어떤 방식으로든(육안으로 또는 도구 기술을 통해) 관찰됩니다.) 어떤 단계 또는 단계가 존재합니다. 그런 다음 시스템의 속성 중 일부를 점진적으로 변경하고 다른 모든 속성은 일정하게 유지하면서 상태 변화와 이러한 상태 변화가 발생한 조건을 기록합니다.

순수 물질 다이어그램 구성

순물질 의 경우 일반적으로 압력을 설정한 다음 온도를 변화시켜 다이어그램에서 해당 압력의 높이에서 상 변화 지점을 나타냅니다. 그런 다음 압력이 변경되고 프로세스가 반복됩니다. 위상 변화가 발생하는 지점의 합집합과 결과 곡선 사이의 교차점을 통해 각 곡선의 각 측면에 있는 각 영역에 위상이 존재함을 나타내는 위상 다이어그램을 구성할 수 있습니다.

이진 다이어그램의 구성

이진 시스템의 경우, 하나는 일반적으로 정의된 압력 또는 온도에서 두 개의 순수한 구성 요소로 시작하고 다른 변수(각각 온도 또는 압력)를 변경하며 다시 일부 상 변화가 발생하는 온도 또는 압력에 주목합니다. 이러한 점은 세로 축에 표시됩니다. 오른쪽에 있는 것은 순수 구성 요소 중 하나를 나타내고 왼쪽에 있는 것은 다른 구성 요소를 나타냅니다.

그런 다음 두 성분의 혼합물을 몰 또는 질량 분율(또는 백분율)로 정의된 농도로 준비합니다. 각 조성(x축에 표시됨)에 대해 다시 온도 또는 압력을 변경하고 이전과 같이 상 변화를 기록합니다.

삼항 다이어그램의 구성

삼항 다이어그램의 절차는 일반적으로 조금 더 복잡합니다. 어떤 경우에는 다이어그램의 한 면에 평행한 혼합물을 준비하는 것이 목표이며, 다른 경우에는 수직으로, 다른 경우에는 대각선으로 수행됩니다. 이러한 각 투어에는 고정 이진 시스템과 세 번째 구성 요소의 증가량을 혼합하거나 그 반대의 경우를 포함하여 달성되는 고유한 실험 방법이 있습니다.

위상 다이어그램은 무엇에 사용됩니까?

위상 다이어그램의 적용은 해당 위상 다이어그램의 특정 유형에 따라 다릅니다.

순수 물질의 상 다이어그램 활용

순물질 다이어그램의 경우, 위상 다이어그램은 시스템이 압력과 온도의 함수가 될 위상에 대한 명확한 정보를 제공합니다. 덕분에 시스템을 초기 상태에서 다른 경로를 통해 최종 상태로 전환할 때 발생해야 하는 위상 변화를 예측할 수도 있습니다.

한편, 이러한 유형의 상 다이어그램을 사용하면 다른 압력에서 순수 물질의 상 변화 온도(또는 상 변화 지점)를 예측할 수 있습니다. 예를 들어 끓는점과 녹는점이 압력의 함수로 어떻게 변하는지 명확하게 볼 수 있습니다.

이진 위상 다이어그램의 유용성

2진 상 다이어그램의 경우, 압력을 일정하게 유지하는 온도 또는 온도를 일정하게 유지하는 압력이 변할 때 다양한 상, 비율 및 조성에 대한 정보를 제공합니다. 2차원 도표이기 때문에 상 변화, 각 상이 존재하는 비율, 온도와 압력의 함수로서의 조성을 동시에 관찰하는 것은 일반적으로 불가능합니다. 그러나 서로 다른 압력에서 온도의 함수로서 2진 상 다이어그램의 구성은 이 정보를 간접적으로 제공할 수 있습니다.

이원계의 상 다이어그램을 통해 서로 다른 두 화학 물질 사이에서 형성될 수 있는 서로 다른 상 사이의 상호 작용을 연구할 수 있습니다. 이러한 상은 서로 다른 상태(예: 고체 및 액체)의 두 구성 요소의 순수한 상 또는 두 구성 요소(예: 합금, 용액, 공결정 등)를 포함하는 균일한 상을 포함할 수 있습니다.

위의 덕분에 이진 상 다이어그램을 통해 단일 온도에서 녹고 융점이 두 순수한 구성 요소 중 하나보다 낮은 이진 시스템인 공융 시스템을 식별할 수 있습니다. 또한 공융점으로 알려진 이 시스템의 용융 온도를 결정할 수 있습니다. 이것은 예를 들어 용접에 유용한 고강도 저융점 금속 합금 의 식별 및 설계를 허용하므로 다양한 산업 응용 분야에서 매우 중요합니다 .

삼원 위상 다이어그램의 유용성

마지막으로, 3성분 상 다이어그램에서 삼각형 다이어그램은 3성분 혼합물의 세 가지 구성 요소가 발견되는 비율을 한 지점에서 동시에 나타낼 수 있도록 사용됩니다. 이는 이 다이어그램에서 삼원계에 존재하는 상(들)에 대한 온도와 압력의 영향을 관찰할 수 없고 조성의 영향만 관찰할 수 있음을 의미합니다.

따라서 삼원 상태 다이어그램은 구성 요소 중 하나의 상대 농도가 변할 때 삼원 시스템이 어떻게 작동하는지 결정하는 데 주로 사용됩니다. 이는 용질이 다른 두 용액이 혼합된 시스템을 연구하는 데 유용합니다. 용매와 두 용질이 혼합물에 존재하여 삼원 시스템을 형성하기 때문입니다.

위상 다이어그램의 일부

다음 다이어그램은 순수 물질 및 이원 시스템에 대한 상 다이어그램의 일부를 설명하는 데 사용됩니다.

위상 다이어그램 정의

위상 다이어그램 정의

그래프의 축

상 다이어그램의 유형에 따라 압력과 온도(첫 번째 다이어그램의 경우와 같이), 한 구성 요소의 몰 분율(두 번째 다이어그램의 경우와 같이) 또는 두 구성 요소의 몰 분율(삼원 다이어그램의 경우와 같이)을 나타낼 수 있습니다. . ).

상평형 곡선

위상 다이어그램에서 한 위상을 다른 위상과 분리하는 곡선입니다. 위의 순수 물질 다이어그램에서 AB, BC 및 BD 곡선은 두 번째 다이어그램의 AB 및 AD 곡선과 마찬가지로 모두 상평형 곡선의 예입니다.

트리플 포인트

순물질계에서 삼중점은 여러 상평형곡선이 일치하는 점이므로 3상이 동시에 평형상태에 있다. 이전 그림의 첫 번째 다이어그램에서 지점 B에 해당합니다.

임계점

첫 번째 다이어그램의 D 지점에 해당합니다. 순수한 물질이 액체로 존재할 수 있는 최대 온도를 나타냅니다. 이 온도 이상에서 물질은 항상 기체 상태이며 더 높은 온도와 압력에서는 초임계 유체처럼 거동합니다.

공융점

이전 이미지의 이진 다이어그램에서 점 A에 해당합니다. 두 상이 함께 녹아서 고체 상태에서 원래의 두 고체상이 모두 남아 있지 않은 상태에서 액체 상태로 직접 전환되는 지점입니다. 이 지점은 공융 용융 온도와 고려되는 이원 시스템에 대한 공융 조성을 모두 표시합니다.

모든 혼합물이 공융 혼합물을 형성하는 것은 아니지만 합금과 같은 많은 혼합물이 형성합니다.

참조

Agudelo, AF, & Restrepo, OJ (2005년 1월 21일). 열역학 및 상 다이어그램 . scIELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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