중1: 5. 물질의 상태 변화

물질은 새로 생성되거나 소멸되지 않습니다. 물질(질량) 보존의 법칙은 현대과학의 가장 기본적인 부분입니다. 그렇다면 끊거나 말라서 사라진 물은 어디로 간 것일까요?

물질의 상태

모든 물체는 소멸되거나 생성되지 않습니다. 다만, 형태가 변할 뿐입니다. 이를 증명하기 위해서, 물이라는 물질의 기본 성질(코발트 종이를 붉게 만드는)을 이용하여 고체, 액체, 기체일 때, 똑같이 반응하는지 확인합니다.

* 염화 코발트 실험
과정 :

대조군	염화 코발트 종이가 물과 반응하여 빨간색이 되는지 관찰
실험군	물을 끓여 나오는 수증기와 염화 코발트 종이가 만나 빨간색이 되는지 관찰
실험군2	얼음 표면에 염화 코발트 종이를 접촉하여 색변화 관찰

결론: 물과 얼음과 수증기는 같은 성분이다.

염화 코발트 실험 "experiment_cobalt_chloride.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

단순히 물 뿐만 아니라, 모든 물질(substance)이 3가지 상태(phase)를 가질 수 있습니다. 돌, 유리가 액체나 기체가 될 수 있고, 반대로 공기도 충분히 낮은 온도에서 액체나 고체가 될 수 있습니다. 물체의 상태가 변하는 것을 상전이(phase transition)라고 합니다.

상태 변화
~에서	~으로
~에서	고체	액체	기체
고체 (solid)		융해(fusion) 녹다(melting)	승화(sublimation)
액체 (liquid)	응고(solidification) 얼림(freezing) 결정화(crystallization) 굳힘(setting)		기화(vaporization)
기체 (gas)	승화^*(desublimation)	액화(condensation)	플라즈마화 이온화(ionization)
플라즈마 (plasma)			재조합(recombination)

※ 플라즈마(plasma, 1928) 상태는 고에너지로 인해 음전하가 분리된 형태기 때문에, 입자모형으로 설명이 아직은 불가하다.(예: 번개)
※ 역승화란 말은 없다. 다만, 영미권 단어가 있기 때문에 번역에서 의미를 보존하기 위해 사용한다.

에너지

물체의 상태가 변하는 이유에 대해 생각하기 이전에 에너지에 대해서 생각해보아야 합니다. 우리는 에너지가 힘이 누적된 상태라는 것을 알고 있습니다(복습). 우리는 앞으로 에너지가 어떠한 형태로 저장되는지 다룰 것입니다(예고). 그전에 우리가 염두에 두어야 할 점은 에너지가 생성되거나 사라지지 않고, 다면 형태만 변환된다는 점입니다. 에너지 보존 법칙 '열역학 제1법칙'(The first law of thermodynamics)으로도 불립니다. 에너지 보존 법칙, 위키피디아 (law of conservation of energy)은 닫힌 계에서 에너지의 총량이 일정하다고 설명합니다.

온도에 따른 물질의 상태변화 "graph_matter_status.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

물질은 에너지를 흡수한 상태에 따라 고체, 액체, 기체가 될 수 있습니다. 이 에너지는 사라지거나 생성되는 것이 아니고, 주위로부터 흡수 또는 방출이 되며, 그 에너지가 열인 경우에 시원함이나 따뜻함을 느낄 수 있습니다.
따라서, 물질이 에너지를 빨아들이는 경우, 우리는 시원함을 느끼고, 물질이 에너지를 방출하는 경우, 우리는 따뜻함을 느낍니다 .

가열(곡선)실험 "experiment_boiling_point.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

상태 변화 시 평평한 부분: 흡수, 방출하는데 시간이 소요됨을 의미(온도가 일정하게 유지)

가열(곡선) 실험
과정: 물, 에탄올, 메탄올을 끓여 온도 변화를 관찰한다.
결론: 계속 열을 가하더라도(주입하더라도) 온도가 더 이상 올라가지 않는다.
응용: 종이냄비(종이의 발화점: 약 400℃, 물 끊는점 100℃)가 타지 않는다.

융해시: 녹는점(melting point)
응고시: 어는점(freezing point), 빙점, 결빙점
기화시: 끓는점(boiling point)
액화시: 액화점(condensation point)

주의!

시작 온도를 임의로 가정하였습니다(20도).
물 5g의 온도는 임의로 변경하였습니다(50도).
비열까지 측정하려면 g(그람)으로 계량해야 합니다.
실험환경(화력)에 의해 전체 그래프의 기울기는 달라질 수 있습니다(상대 기울기는 일정).
실험 보고서 작성 시(셈플링)으로부터 부드러운 곡선을 추측하지 마십시오.

시료의 물성
시료명	화학식	비열(KJ/g℃)	끓는점(℃)	밀도(g/ml)	기화열(kJ/mol)
물	H₂O	1	100	1	40.79
에탄올	C₂H₅OH	2.44	78.37	0.789	38.56
메탄올	CH₃OH	2.51	64.7	0.791	35.3

온도

일반적으로 "녹는점 = 어는점", "끓는점 = 액화점"입니다. 이는 끓는점 이상에서 액체로 존재할 수 없고, 어는점 이상에서 고체로 존재할 수 없다는 것을 의미합니다.
하지만 그림[온도에 따른 물질의 상태변화]는 100℃이하의 수증기(기체)는 없고, 0℃이하의 물(액체)는 없다는 오해를 불러일으킵니다. 어는점 이하의 액체에 대한 반례로 과냉각(supercooling, undercooling) 과냉각 : 액체나 기체를 어는점 아래로 낮추더라도 얼지 않는 상태 과냉각, 위키피디아 이 있습니다. 이러한 이유로 물성(물리적 성질)을 이야기할 때, "녹는점"과 "끓는점"으로 말하는 것이 선호됩니다.
이렇게 상태가 변화할 때, 요구/방출되는 열 에너지를 ~열이라고 합니다.

~열: 따뜻하다(X), 열 에너지
보온: 따뜻하다(X), 열의 이동을 막는다(O). (보냉: 차가움을 강조하기 위한 상업적 용어)
융해시: 융해열(heat of fusion) = 응고열
기화시: 기화열(Enthalpy of vaporization (heat of vaporization)) = 액화열

일반적으로 기술되는 온도는 국제단위계(International System Units; SI)에서 지정한 섭씨온도(degree Celsius)를 사용합니다.

화씨 온도는 미국 외 몇몇 소수 국가만 사용하는 온도체계입니다. 이 체계는 온도에 음수와 소수가 등장하지 않는 것을 목표로 제작되었습니다. 기준은 가장 춥다고 생각하는 지역의 온도를 0, 사람의 체온을 100을 기준으로 하였습니다. 현대적 측정 기준에서 음수와 소수점이 등장하는 것은 필연적입니다. 따라서, 세계표준에 부합하지 않는 관용적 단위계로 남아있습니다.

기압과의 관계

온도에 따른 끓는점의 변화 "Vapor_pressure_chart.svg", cmglee, mbeychok, wikipedia.org, CC BY-SA 3.0
/2차 수정: 한글화, 2024, @iseohyun.com

녹는점과 끓는점은 기압에 따라서도 변할 수 있습니다. 이 값은 두 측정값을 구한 후, 클라우지우스-클라페이론 방정식으로 예측가능합니다.

\[\ln{P_2 \over P_1} = {ΔH_{vap} \over {R( {1 \over T_2} - {1 \over T_1})}}\]

P_{1, 2}: 초기, 최종 압력(Pa)
T_{1, 2}: 초기, 최종 온도(K)
ΔH_vap: 끓는점에서의 기화열(J/mol)
R: 기체 상수(8.314 J/mol K)

실험적으로 기압이 떨어질수록 끓는점은 내려갑니다. 높은 고도에서 물이 쉽게 끓거나, 암석이 땅속에서 높은 지열에도 불구하고 대부분이 고체로 남아있을 수 있는 이유입니다.
('과냉각'과 '증발'의 사례는 기압으로 인한 현상이 아닙니다.)

증발

물질이 에너지를 받거나 뺏겨서 일정 온도에서 상태변화가 일어난다는 사실을 기억한다면, 주위에 충분한 온도가 아님에도 불구하고 기화가 일어나는 증발에 대해 의문이 듭니다. [아세톤 증발 실험] (또는 화상을 입지 않고 젖은 옷이 마르는 현상을 쉽게 떠올릴 수 있습니다.)

아세톤 증발 실험 "experiment_cobalt_chloride.svg", iseohyun.com, 2024, CC-BY-SA 4.0

* 아세톤 증발 실험
(※ 아세톤은 상온에서 기화를 확인하기 좋은 물질이다.)

과정:
밀폐된 용기에서 아세톤을 넣는다.
증발이 될 때까지 온도와 무게를 확인한다.

결론: 상온에서 기화가 일어난다. 질량 변화가 없다.

기화열은 온도가 아니라 에너지라는 측면에 주목해야 합니다. 물체가 끓는점까지 도달하지 않았더라도 충분히 에너지가 포집되었다면 기화가 일어날 수 있습니다. 액체의 표면에서 입자가 기화되는 현상을 증발(evaporation)이라고 합니다.

증발이 일어나면 기체가 됩니다. 따라서, 100℃이하의 수증기 기체가 존재할 수 있습니다. 앞서 과냉각의 예시와 같이 0℃ 이하의 액체가 존재할 수 있습니다.

단어

영어단어
No	영어	국어	영어	국어
1	substance	물질	International System Units	국제단위계
2	phase	위상	degree Celsius	섭씨온도
3	phase transition	상 변화	evaporation	증발
4	fusion	융해
5	melting	녹다
6	sublimation	승화
7	solidification	응고
8	freezing	얼림
9	crystallization	결정화
10	setting	굳음
11	vaporization	기화
12	desublimation	승화
13	condensation	액화
14	ionization	이온화, 플라즈마화
15	law of conservation of energy	에너지 보존 법칙
16	The first law of thermodynamics	열역학 제1법칙
17	melting point	녹는점
18	freezing point	어는점
19	boiling point	끓는점
20	condensation point	액화점
21	physical property	물리적 성질, 물성
22	supercooling	과냉각
23	undercooling	과냉각
24	heat of fusion	응고열
25	heat of vaporization	기화열

Quiz

물질의 상태는 , , , 상태가 있습니다.
물질의 상태가 변하는 것을 라고 합니다.
상전이 될 때, 물질의 특성도 변합니다. (, )
고체에서 액체가 될 때 ,
고체에서 기체가 될 때 ,
액체에서 고체가 될 때 ,
액체에서 기체가 될 때 ,
기체에서 고체가 될 때 ,
기체에서 액체가 될 때 라고 합니다.
번개는 상태입니다.
물체가 상전이 될 때, 에너지가 생성/소멸 됩니다. (, )
닫힌 계에서 에너지가 생성/소멸되지 않는 원칙은 법칙, 또는 법칙이라 합니다.
물질이 에너지를 방출하면, (, )을 느낍니다.
: 물질이 기화되는 온도
: 물질이 응고되는 온도
: 물질이 융해되는 온도
: 물질이 액화되는 온도
(1기압) 물질은 끓는점 이상에서 액체로 존재할 수 있습니다. (, )
(1기압) 물질은 끓는점 이하에서 기체로 존재할 수 있습니다. (, )
(1기압) 물질은 어는점 이하에서 액체로 존재할 수 있습니다. (, )
(1기압) 물질은 어는점 이상에서 고체로 존재할 수 있습니다. (, )
기압이 떨어지면 끓는점은 (, ).
물질이 어는점 이하에서 액체로 남아있는 상태를 상태라 합니다.
은 끓을 때에도 발생하지만, 물질이 끓는점 이하에서 을 얻어 발생할 수 있습니다.
보온병은 차가운 것을 보관할 때 사용할 수 있습니다. (, )