안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
고체가 액체를 거치지 않고 기체로 승화하는 현상은 상평형 그림에서 주변 압력이 물질 고유의 삼중점 압력보다 낮을 때 발생하는 열역학적 상전이입니다. 상평형 그림에서 삼중점은 고체, 액체, 기체가 모두 평형을 이루며 함께 존재할 수 있는 유일한 임계 지점입니다. 물질에 가해지는 주변 압력이 삼중점 압력보다 높으면 가열 시 고체에서 녹아 액체가 된 후 끓어서 기체가 되지만 주변 압력이 삼중점 압력보다 낮으면 가열 경로상에 액체가 존재하는 영역 자체가 배제됩니다. 따라서 온도가 높아질 때 상태점은 고체와 기체의 경계인 승화 곡선을 직접 통과하여 고체에서 기체로 바로 전환됩니다.
이를 열역학적 에너지 관점에서 보면 깁스 자유 에너지의 작동으로 설명됩니다. 물질은 항상 자유 에너지가 가장 낮은 안정적인 상을 형성합니다. 주변 압력이 삼중점 압력보다 낮은 환경에서는 모든 온도 구간에서 액체 상의 깁스 자유 에너지가 고체나 기체보다 항상 높게 형성됩니다. 즉, 액체 상태가 열역학적으로 존재 불가능한 상태가 되므로 온도가 상승하면 곧바로 기체로 변화합니다.
대표적으로 드라이아이스는 삼중점 압력이 5.11atm으로 대기압보다 훨씬 높기 때문에 일상적인 대기압 조건에서 드라이아이스는 액체를 거치지 않고 곧바로 기체로 승화하게 됩니다.