승화 [ sublimation , 昇華 ] 와 3중점 [ triple point , 三重點 ]

 

승화 [ sublimation , 昇華 ]

물질의 상태변화에서 고체가 액체 상태를 거치지 않고 직접 기체로 변하거나 기체가 직접 고체로 변하는 현상이다.

나프탈렌, 드라이아이스 등을 공기 중에 놓아두면 상온(25℃)에서 액체가 되는 과정 없이 모두 기체로 변한다. 또 아이오딘(I₂) 결정을 가열하면 액체로 변하는 융해 과정을 거치지 않고 보라색 기체가 되고, 다시 이 기체를 냉각시키면 액체가 되는 과정 없이 원래의 아이오딘 결정이 된다.

얼음도 0℃ 이하에서는 융해 과정 없이 기체가 되기도 한다. 얼어 있는 빨래가 마르거나, 눈사람의 크기가 며칠 지나면 작아지는 현상은 고체에서 기체로의 상태변화 때문이라고 할 수 있다.

고체가 융해 과정 없이 기체가 되는 이유는 다음과 같다. 고체도 액체와 마찬가지로 일정한 증기압을 가진다. 기화(액체→기체)의 경우와 마찬가지로 고체도 주어진 온도에서 포화증기압과 같아질 때까지 승화가 진행된다. 고체 증기압은 물질에 따라 다르며, 같은 물질이라도 온도가 높아질수록 커진다. 즉, 삼중점 이하의 온도와 압력에서 고체는 융화하지 않고 승화를 통해 기체가 된다. 드라이 아이스가 승화하는 이유는 드라이아이스의 삼중점의 압력과 온도가 실온이나 실압보다 크기 때문이다.

승화할 때 흡수 또는 방출하는 열을 승화열이라 하는데 드라이아이스는 137kcal/kg를 흡수하고 기체 이산화탄소로 승화된다. 상평형그림에서 삼중점 이하의 온도,압력에서 모든 물질은 승화가 일어날 수 있음을 알 수 있다.

[출처] 승화 | 두산백과

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3중점 [ triple point , 三重點 ]

물질의 상태가 특정한 온도, 압력에서 고체상, 액체상, 기체상의 3상이 모두 평형을 이루어 공존하는 상태이다. 물의 3중점은 0.009℃의 온도와 4.58㎜Hg 압력이다. 공기가 없는 순수한 물은 이 상태에서 물, 얼음, 수증기가 동시에 존재한다.

3중점

어떤 물질의 상태에서도 고체상, 액체상, 기체상 등 3상이 평형 상태에 있는 점을 말한다. 1성분계는 기체상·액체상·고체상 등 3상의 상태를 가질 수 있는데, 어떤 온도·압력에서는 이 3상이 모두 평형을 이루어 공존할 수도 있다. 이러한 경우에는 온도-압력의 상태도 기체상-액체상, 액체상-고체상, 고체상-기체상 공존곡선의 3곡선이 1점에서 만나게 되는데, 이 점을 3중점이라고 한다. 상규칙에 의해서 3중점의 자유도는 0이다.

물을 예로 들면 물의 3중점 셀은 공기가 없는 고순도 물을 유리 용기에 담은 것으로 셀 내부에 얼음이 생기면 물, 얼음 및 수증기가 공존하는 삼중점 상태가 된다. 그 때의 온도는 0.009 ℃, 압력은 수은주 4.58㎜Hg이다. 또한 3중점 상태의 온도를 국제온도눈금-90(ITS-90)에서 273.16K(0.01℃)로 정의하였다.

이 물 및 수소·산소의 3중점은 국제온도눈금의 정점으로 선정되어 있으며, 물의 3중점은 열역학적 온도의 단위인 켈빈(K)을 정의하는 기본 고정점이다. 

[출처] 3중점 | 두산백과