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제 1 장 열역학과 상평형
ISSUES TO ADDRESS
㉠ When we combine two compounds(elements), what equilibrium state do we get?
㉡ In particular, if we specify...
- a composition (e.g., wt% a - wt% b), and - a temperature (T )
then...
How many phases do we get?
What is the composition of each phase?
How much of each phase do we get?
Phase A Phase B
a atom b atom
1.1 계, 상 및 성분
① 계 (system)
㉠ Any portion of the universe which is of interest and can be studied experimentally.
㉡ 변하는 조건 하에서 그 안에서 일어날지 모르는 변화 고려 시 그 나머지로부터 완전히 그리고 임의로 고립될 수 있는 재료 영역의 일부분
② 상 (phase)
㉠ Any particular portion of a system, which is physically homogeneous, has a specific composition, and can be mechanically removed or separated from any other phase in the system.
- 표면에 의해 제한된 전체 계를 포함한 어느 일부분으로,
- 물리적으로 (물리적 특성과 물리적 구조-밀도, X선 회절 거동, 광학적 성질) 균일하며, - 특정 조성을 갖고 있으며 (엄밀한 화학적 조성에 한정되지 않음),
- 계 내에서 다른 부분과 기계적으로 ( ) 가능 ㉡ 기체는 서로 완전히 용해되어(섞여) 단 하나의 상을 나타냄
㉢ 액체들은 각 상이 다른 상들로부터 물리적으로 구별되는 상들로 존재할 수 있음 - 용질이 용매에 녹아 있으면 조성이 변하여도 단일 상
(∵화학조성의 변화에도 균일한 특성을 변화시키지도 않을뿐 아니라, 물리적 구조에 급격한 (뚜렷한) 변화를 일으키지 않기 때문)
-용해도가 없는 물, 수은은 각각은 다른 상, 물과 기름은 다른 상
㉣ 결정들은 각 상이 다른 상들로부터 물리적으로 구별되는 상들로 존재할 수 있음 - silica, SiO2는 여러 결정구조가 존재하며 각각은 다른 상
- 고용체 (solid solution)는 단일 상 ㉤ 혼합상
- Any crystalline phase which can coexist with liquid, i.e. it formed/crystallized directly from the liquid (단일 상으로 간주)
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③ 성분 (component)
㉠ the smallest number of independant variable chemical constituents necessary to define any phase in the system
- 평형 상태에서 존재하는 각 상의 조성을 나타내기 위한 필요 충분한 독립적으로 변할 수 있는 화학 요소들의 최소 개수
㉡ 성분은 원소, 화합물 혹은 용액이 될 수 있음 ㉢ alumina-silica 계
- Al2O3와 SiO2가 계의 성분
(∵모든 상들과 반응들이 이 두 재료만을 사용하여 기술할 수 있기 때문) - Al, Si 및 O는 계의 성분이 아님
(∵ 이들이 계를 정량적으로 표현할 수 있는 화학적 물질의 최소 개수가 아니기 때문) ㉣ MgCO3 ⇄ MgO + CO2에서
- 3가지 화학요소가 모두 독립적으로 변하지는 않기 때문에 3 상이 모두 성분이 되지 않고 두 상 만 조성
- 일반적으로 MgO와 CO2가 조성
1.2 평형
① 평형 (equilibrium)
㉠ The condition of minimum energy for the system such that the state of a reaction will not change with time provided that pressure and temperature are kept constant.
㉡ 계의 성질이 시간 경과에 따라 변하지 않고, 같은 상태가 계의 변수들에 관한 한 개 이상의 방 법으로 평형조건에 접근함으로써 얻어 질 수 있음
㉢ Gibbs 자유에너지 (반응에 대한 구동력) 변화 (ΔG =ΔH + TΔS)가 O일 때 계는 평형상태 ㉣ 반응속도론에서는 정방향 화화반응 속도가 모든 역방향 화학반응 속도와 같은 조건을 의미
② 상평형 (phase equilibrium)
몇 개의 상(相)이 공존하여 열역학적으로 평형상태를 이루고 있는 것
③ 상태도 (phase diagram)
재료 계 내의 여러 온도, 압력 조성에서 어떤 상이 존재하는가를 도식적으로 나타낸 것 ㉠ 평형 조건에서 조성과 온도가 다를 때 어떤 상이 존재하는가를 알 수 있음
㉡ 한 원소(혹은 화합물)가 다른 원소에 고용되는 평형 고용도를 알 수 있음
㉢ 어떤 화합물(합금)이 평형 상태에서 냉각될 때 응고 개시온도와 응고온도 영역을 알 수 있음 ㉣ 다른 상이 용융되기 시작하는 온도를 알 수 있음
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1.3 Gibbs의 상법칙
① Construction of phase diagrams as well as the principles governing the conditions for phase equilibria are governed by the laws of thermodynamics.
-계의 상들의 수와 성분들 사이 관계식에 의해 평형상태를 정의
② J.W. Gibbs derived the Gibbs phase rule that enables the number of phases coexisting in equilibrium in a chosen system to be found :
P + F = C + N
P = number of phases which coexist in a chosen system C = number of components in the system
F = degrees of freedom ( )
- no. of variables that can be changed independently without changing the no. of phases that coexist at equilibrium in the chosen system
(평형을 이루고 있는 상의 갯수에 영향을 미치지 않고 변화시킬 수 있는 열역학적 세기 변 수(계의 질량에 의존하지 않는, 즉 온도, 압력 및 조성)의 갯수
N = no. of noncompositional variables (비조성 변수의 수)
-in genera|, temperature and pressure are the noncompositional variables, hence N=2;
or N=1 if pressure is assumed to be constant
