어떤 원리로 물질의 상태 변화가 일어날까요?

Question

고체, 액체, 기체와 같은 물질의 상태 변화는 어떤 원리로 일어날까요? 그리고 이 변화는 온도, 압력 등과 어떤 관련이 있는건가요?

이원영 전문가 · Accepted Answer

안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.물질의 상태가 온도·압력·자기장 등 일정한 외적 조건에 따라 한 상태에서 다른 상태로 변화하는 현상을 말한다. 상전이라고도 부른다.고체는 녹아서 액체가 되고 액체는 얼어서 고체가 되거나 증발하여 기체로 되며 기체는 응축되어 액체로 되는 등의 변화가 일어난다. 물질의 물리적인 모습만 변화되므로 화학적 변화와는 구별된다.기체가 액체로 변하는 액화, 액체가 기체로 변하는 기화, 고체가 액체 과정을 거치지 않고 기체로 변하거나 기체가 바로 고체가 되는 승화, 액체가 고체로 변하는 응고, 고체가 액체로 변하는 융해현상은 모두 상태변화의 과정들이다.물은 외부 조건(온도, 압력 등)에 따라 눈이나 얼음과 같은 고체, 비와 같은 액체, 수증기와 같은 기체의 상태로 존재한다.얼음이 녹아서 물이 되는 현상을 융해라 하고, 물이 수증기가 되는 현상을 기화라고 하며, 고체에서 액체를 거치지 않고 직접 기체로 상태변화하는 경우는 승화라고 한다. 융해, 기화, 승화(고체→기체)와 같이 분자 간의 거리가 멀어지면 열을 흡수하고 반대로 응고, 액화, 승화(기체→고체)와 같이 분자 간의 거리가 가까워지면 열을 방출한다. 예를 들어, 융해열은 얼음이 물로 상태변화할 때 필요한 에너지이고 액화열은 수증기가 물로 상태변화할 때 방출하는 에너지이다.상태변화가 일어날 때는 잠열(숨은열)이 출입하기 때문에 온도는 변하지 않는다. 잠열은 물질의 상태가 변할 때 흡수하거나 방출하는 에너지인데, 예를 들어 얼음 1g을 녹이는 데 80cal의 융해열이 필요하고, 물 1g을 끓이는 데 540cal의 기화열이 필요할 때, 여기서 말하는 융해열이나 기화열은 잠열이다. 그러므로 물의 융해열(잠열)은 80cal/g, 기화열(잠열)은 540cal/g이다. 이러한 잠열(숨은열)을 변환열이라 하며, 반응열과는 구별된다.

하얀도화지113 · Answer

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.고체, 액체, 기체와 같은 물질의 상태 변화는 주로 온도와 압력의 변화에 의해 일어납니다. 이러한 변화는 물질 내 분자들의 상호작용에 의해 결정됩니다.고체는 분자들이 서로 가깝게 모여있고, 서로 이웃한 분자들 사이의 상대적인 위치가 거의 변하지 않습니다. 액체는 분자들이 서로 가깝게 모여있지만 서로 이동할 수 있습니다. 기체는 분자들이 거의 서로 가깝지 않고, 서로 자유롭게 이동할 수 있습니다.이러한 상태 변화는 온도와 압력의 변화에 의해 발생합니다. 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 가는 과정은 물질 내 분자들 간 상호작용을 균형상태에서 벗어나게 하여 분자들이 서로 이동할 수 있게 만듭니다. 이러한 과정에서는 열이 흡수됩니다.반대로, 기체에서 액체로, 액체에서 고체로 가는 과정은 물질 내 분자들 간 상호작용을 균형상태로 되돌리는 과정입니다. 이러한 과정에서는 열이 방출됩니다.

럭스마가린 · Answer

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.물질은 보통 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 나눈다. 그런데 물질의 상태는 계속 그대로 있는 것이 아니라, 온도와 압력의 변화에 따라 바뀐다. 이렇게 온도와 압력의 변화에 따라 물질의 상태가 바뀌는 것을 상태 변화라 한다. 상태 변화는 물질을 이루고 있는 분자나 원자들 사이의 간격이 압력과 온도에 따라 달라지기 때문에 나타나는 현상이다. 예를 들어, 고체인 물질이 있는데 온도를 올려주거나 압력을 낮게 해 주면, 그 물질을 구성하는 분자들의 운동이 활발해지고 서로간의 거리가 멀어지면서, 어느 순간이 되면 고체를 이루는 분자들 사이에 작용하는 힘이 약해져서 결합이 끊어지고 액체가 된다. 가열에 따른 상..압력에는 변화가 없는 상태에서 얼음에 열을 가하게 되면 우선 얼음의 온도가 올라간다. 그러다가 0℃가 되면(1기압에서의 얼음의 녹는점이다), 가해 준 열이 모두 얼음을 이루고 있는 분자들간의 결합을 끊는 데 쓰여 온도가 더 이상 올라가지 못한다. 이 때 얼음은 서서히 액체로 바뀌는 것이다. 그래서 상태 변화가 일어나는 동안에는 온도 변화가 없는 것이다. 물이 끓는 경우도 마찬가지로 액체를 이루는 분자들 사이의 결합을 끊어주어야 기체가 되는데, 100℃(1기압에서의 물의 끓는점)의 물에 열을 계속 가하면, 그 열은 결합을 끊어주는 데만 쓰이기 때문에 온도를 올리지 못한다. 반면에 물은 아주 활발하게 수증기로 변하게 된다. 물이 얼거나 수증기가 물이 되는 경우는 그 반대로 생각하면 된다. 즉, 분자들간의 결합을 하게 하기 위해 열을 뺏어야 하는데, 그 동안에는 온도가 내려가지 않는 것이다. 물과 같은 액체가 고체가 되는 온도를 어는점, 고체가 녹아 액체가 되는 점을 녹는점, 액체의 끓는 온도를 끓는점이라 한다. 각 상태 변화의 이름은 다음 그림과 같고, 고체에서 액체, 액체에서 기체, 고체에서 기체로 변하는 동안에는 열(에너지)를 흡수해야 하고, 그 반대의 경우에는 방출해야 한다. 고체에서 액체가 될 때 필요한 열을 융해열이라 하고, 액체에서 기체가 될 때 필요한 열을 기화열, 기체에서 액체가 될 때 방출하는 열을 액화열, 액체에서 고체가 될 때 방출하는 열을 응고열이라 한다.물질의 상태 변화물질은 온도와 압력에 의해 상태가 변한다.고체 상태가 액체 상태로 변할 때의 온도를 녹는점(어는점),액체 상태가 기체 상태로 변할 때의 온도를 끓는점이라 한다.녹는점이나 끓는점은 물질마다 다른, 물질 고유의 성질이다.그런데, 녹는점이나 끓는점은 압력에 따라 달라진다.   상태변화와숨은열 앞서 물질을 가열하거나 냉각시킬 때, 녹는점(어는점)이나 끓는점에 도달하면물질은 상태가 변한다고 하였다.또, 물질의 상태가 변하는 도중에는 온도가 더 이상 올라가거나 내려가지 않는다고 하였다. 왜냐하면,물질을 가열하면 기화, 융해, 고체에서 기체로의 승화 현상이 일어나는데,이때에는 물질이 상태변화를 하면서 공급해준 에너지를 사용하기 때문에 온도가 상승하지 않는다. 또, 물질을 냉각시키면 액화, 응고, 기체에서 고체로의 승화 현상이 일어나는데,이때에는 물질이 상태변화를 하면서 에너지를 방출하기 때문에 온도가 하강하지 않는다. 그런데,이때 흡수하거나 방출하는 에너지는 그 값이 일정하게 정해져 있다.예를 들어, 1기압에서얼음이 물로 융해하거나 물이 얼음으로 응고할 때물이나 얼음은 1g 당 80cal의 열을 흡수하거나 방출한다.물이 수증기로 기화하거나 수증기가 물로 액화할 때물이나 수증기는 1g 당 540cal의 열을 흡수하거나 방출한다.얼음이 수증기로, 또는 수증기가 얼음으로 승화할 때얼음이나 수증기는 1g 당 680cal의 열을 흡수하거나 방출한다. 이렇게 물질이 상태변화를 할 때 특정한 값의 에너지를 흡수하거나 방출하는데,이를 숨은열, 또는 잠열이라 하고,상태변화의 이름을 따서 기화열, 액화열, 융해열, 응고열, 승화열이라 한다.   숨은열의이용 우리 주변에서 숨은열을 이용하는 경우는 종종 찾아볼 수 있다.냉장고, 에어컨, 스팀 난방기 등과 같은 온도 조절장치들은 숨은열을 이용하는 경우가 많다. 냉장고나 에어컨과 같이 냉각을 시키는 도구들 안에는 냉매라는 물질이 들어 있다.액체 상태의 냉매를 냉장고나 에어컨 안쪽으로 넣어 기체 상태로 기화 하도록 하면냉매는 주변으로부터 기화열을 흡수한다.그러면 냉장고나 에어컨 안에 있던 공기가 차가워지게 된다.그리고 냉장고나 에어컨 밖으로 나온 냉매를 액체 상태로 융해 시키면 융해열이 나오는데,이는 외부로 내보내는 것이다. 스팀 난방기는 수증기를 이용하여 난방을 하는 것인데,보일러실에서 물을 끓여 수증기를 만들어 이 수증기를 배관 안으로 넣어준다.그러면 배관을 타고 각 세대로 들어간 수증기가 액화 하면서 액화열을 방출한다.액화열이 나온 방은 난방이 되고, 배관 안의 물은 다시 보일러실로 돌아간다.  이밖에도,여름철 마당에 물을 뿌리는 것도 기화열을 이용한 경우이다.마당에 물을 뿌리면 물이 기화하면서 지면에서 기화열을 흡수한다.그러면 마당의 온도가 낮아지는 효과가 나타난다. 병원에 가면 고열로 위험한 사람을 알코올로 닦는 경우가 있다.알코올은 물보다도 더 기화를 잘 한다. 휘발성 물질이기 때문이다.알코올이 기화하면서 사람으로부터 기화열을 흡수한다.그러면 사람의 온도가 내려간다. 에스키모인이 과거 이글루를 지을 때, 이글루 안에 물을 뿌렸다고 한다.물을 뿌리면 영하의 온도에서 물은 얼면서 응고열을 방출한다.그러면 이글루의 얼음도 단단히 고정되고, 이글루 안쪽이 바깥보다 더 따뜻해진다.