상변화

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시험관 속 물질과 열선을 나타낸 상변화 아이콘

고체·액체·기체 사이의 상변화와 물의 끓는점·어는점, 증발·끓음의 차이 및 융해열·기화열과 엔트로피·엔탈피 변화를 설명합니다.

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두 분자 사이의 점선 상호작용을 나타낸 분자 간 힘 아이콘 엔트로피를 나타내는 분자 확산 아이콘과 ΔS>0 표기 증기 압력을 나타내는 온도계와 압력계 아이콘

물의 끓는점과 어는점

11기압에서 물의 끓는점은 100 ∘C100\,^{\circ}\mathrm{C}이고,
어는점은 0 ∘C0\,^{\circ}\mathrm{C}이다.

증발과 끓음의 차이

증발은 끓는점 미만의 온도에서 액체의 표면에서만 천천히 일어나는 기화이고,
끓음은 액체가 끓는점에 도달했을 때 액체의 표면과 내부 전체에서 매우 강하게 일어나는 기화이다.

증발과 끓음에서 표면 및 내부 기화가 일어나는 모습 비교

융해열(융해 엔탈피)

일정한 압력에서 녹는점에 도달한 순수한 고체 상태의 물질 1 g1\,\mathrm{g} 또는 1 mol1\,\mathrm{mol}을 액체 상태로 변화시키는 데 필요한 열량이다.
단위는 주로 J/g\mathrm{J/g} 또는 kJ/mol\mathrm{kJ/mol}(융해 엔탈피의 경우)을 사용한다.

기화열(기화 엔탈피)

일정한 압력에서 끓는점에 도달한 순수한 액체 상태의 물질 1 g1\,\mathrm{g} 또는 1 mol1\,\mathrm{mol}을 기체 상태로 변화시키는 데 필요한 열량이다.
단위는 주로 J/g\mathrm{J/g} 또는 kJ/mol\mathrm{kJ/mol}(기화 엔탈피의 경우)을 사용한다.

상변화

물질의 화학적 성질은 변하지 않고 상태만 고체, 액체, 기체 사이에서 변하는 과정이다.

외부의 압력이 일정하면 순물질의 상변화가 진행될 때, 온도가 일정하게 유지된다.

상변화에 따른 엔트로피와 엔탈피의 변화

고체 →\rightarrow 액체 →\rightarrow 기체로 갈수록 입자가 자유분방하게 움직이고,
이를 위해서는 에너지를 흡수해야 하므로 계의 엔트로피와 엔탈피가 모두 증가한다.

반대로 기체 →\rightarrow 액체 →\rightarrow 고체로 갈수록 입자가 둔하게 움직이고,
이를 위해서는 에너지를 방출해야 하므로 계의 엔트로피와 엔탈피가 모두 감소한다.

이를 정리하면 아래 그림과 같다.

고체·액체·기체 사이 상변화와 엔탈피·엔트로피 변화 관계도

상변화 예시

그림은 11기압에서 얼음(H2O)(\mathrm{H_{2}O})의 가열 곡선을 나타낸 것이다. 구간 I∼V\mathrm{I}\sim\mathrm{V}에서 물질의 상태를 구해보자.


온도와 가한 열량의 관계를 I~V 구간으로 나타낸 그래프

압력이 11기압으로 일정하므로 상변화가 진행되는 동안 온도는 일정하게 유지된다.

시뮬레이션


적용 문항

1번 문항


물의 액체에서 기체로의 상변화에 대한 학생들의 발언과 선택지

2번 문항


A(s) 가열 곡선과 엔트로피·비열·기화열을 묻는 화학 문항