[열역학 개념의 해설] 안정, 불안정, 준안정

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제28장 '안정, 불안정, 준안정' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

28. 안정, 불안정, 준안정

열역학에서는 물질의 상이 변화하는 현상과 그 상의 안전성에 대해서도 관심 있게 다루는데요. 어떤 물질이 기체이든 액체이든 고체이든 하나의 독립된 단일 상으로, 자연 상태에서 변화하지 않고 지속적으로 존재할 때, 그 상을 안정된(stable) 상태에 있다고 한답니다. 우리 생활 주변에서 시각적으로 관찰할 수 있는 물, 에탄올, 공기 등은 모두 안정된 상태에 존재하는 물질이랍니다. 

 

상이 불안정(unstable)하다는 것은 상이 안정된 상태에서 존재하지 못한다는 것을 의미하여, 불안정한 상태에 있는 상은 즉시 다른 형태의 상으로 변화하게 된답니다. 즉, 기화, 응축 등의 상변화할 때 물질은 상이 불안정해지는 절차를 경험하게 되는 것이지요. 불안정한 상태의 상은 즉시 다른 안정된 상태의 상으로 변하기 때문에 시각적으로 관찰할 수 없다는 특징도 있답니다. 

 

한편, 상이 안정 혹은 불안정하다는 것은 액체상이 단일상 혹은 두 개 이상의 상으로 존재하는지에 대한 기준을 제공해주는데요. 단일상으로 존재하는 액체 혼합물의 온도, 압력, 조성 등이 변화하여 상이 불안정해지면, 그 상은 두 개의 안정된 상으로 나누어지게 된답니다.  

 

상이 준안정상태(metastable)에 있다는 것은 물질이 안정된 상태로 존재하지는 않지만, 그렇다고 불안정하여 즉시 상변화가 일어나는 것은 아닌 상태를 말하는데요. 준안정상태는 쉽게 접할 수 있는 일반적인 현상은 아니랍니다. 

 

예를 들어, 일반적으로 물은 0℃ 이하가 되면 고체상태가 되는데요. 물에 불순물이 전혀 없어 결정핵이 없고, 외부적 충격이나 진동이 완전히 배제된 상태에서 온도를 내리면 0℃ 이하가 되어도 물은 얼지 않는답니다. 이렇게 0℃ 이하에서도 액체상태로 존재하는 물을 과냉액체(subcooled liquid)라고 부르며, 이 상태에 있는 물을 준안정상태에 있다고 해요. 과냉각 상태에 있는 물은 온도, 압력 등의 변화 없이, 외부 충격만 가해져도 즉각적으로 결빙하게 된답니다. 

 

이와 같이 100℃ 이상의 온도가 되어도 끓지 않는 물을 과열액체(superheated liquid), 100℃ 이하가 되어도 응축하지 않고 기체상태로 남아있는 증기를 과냉증기(supercooled vapor)라고 한답니다. 

 

한편, 준안정상태로 존재할 수 있는 한계가 존재하는데요. 물이 준안정상태로 존재할 수 있는 한계온도는 -20℃도 정도인데데, 이 이하가 되면 물은 어떠한 상태이든 무조건 결빙하게 된답니다. 이러한 한계점을 안정성 경계(stability limit)라고 부른답니다. 

 

그럼, 역열학 개념의 해설, 안정, 불안정, 준불안정에 대한 포스팅을 마치겠습니다.