고상선과 액상선

화학적으로 순수한 물질은 단일 녹는점을 가지지만, 혼합물은 종종 고상선(solidus, T_S 또는 T_sol)이라고 알려진 온도에서 부분적으로 융해하고, 더 높은 액상선(liquidus, T_L 또는 T_liq) 온도에서 완전히 녹는다. 고상선은 항상 액상선보다 작거나 같지만, 반드시 일치할 필요는 없다. 고상선과 액상선 사이에 간격이 존재하면 이를 동결 범위라고 하며, 그 간격 내에서 물질은 고체와 액체 상의 혼합물(예: 슬러리)로 구성된다. 예를 들어, 지구의 맨틀에서 흔히 볼 수 있는 감람석(고토감람석-철감람석) 시스템이 그러하다.^[1]

정의

α와 β의 혼합물로 이루어진 고용체의 평형 상평형 그림. 위쪽 곡선은 액상선이고, 아래쪽 곡선은 고상선이다.

화학, 재료과학 및 물리학에서 액상선 온도는 물질이 완전히 액체 상태가 되는 온도^[2]이자, 결정이 열역학적 평형 상태에서 용융물과 공존할 수 있는 최고 온도를 나타낸다. 고상선은 주어진 물질이 완전히 고체(결정화된) 상태가 되는 온도(상평형 그림상의 곡선)이다. 고상선 온도는 물질이 완전히 고체 상태가 되는 온도^[2]이자, 용융물이 결정과 열역학적 평형 상태에서 공존할 수 있는 최저 온도를 나타낸다.

액상선과 고상선은 주로 유리, 금속 합금, 세라믹, 암석, 광물과 같은 불순물(혼합물)에 사용된다. 액상선과 고상선은 이성분 고용체의 상평형 그림^[2]과 불변점으로부터 떨어진 공융계에서 나타난다.^[3]

구별이 무의미할 때

순수한 원소 또는 화합물, 예를 들어 순수한 구리, 순수한 물 등에서는 액상선과 고상선이 같은 온도에 있으며, 이때는 녹는점이라는 용어를 사용할 수 있다.

또한 공융 융해로 알려진 특정 온도에서 녹는 혼합물도 있다. 한 가지 예는 공융 혼합물이다. 공융계에서는 고상선과 액상선 온도가 불변점이라고 알려진 한 지점에서 일치하는 특정 혼합 비율이 존재한다. 불변점에서는 혼합물이 공융 반응을 겪어 두 고체가 같은 온도에서 녹는다.^[3]

모델링 및 측정

다양한 시스템에 대한 액상선 및 고상선 곡선을 예측하는 데 사용되는 여러 모델이 있다.^[4][5][6][7]

고상선과 액상선의 상세한 측정은 시차 주사 열량측정법 및 시차 열 분석과 같은 기술을 사용하여 수행될 수 있다.^{[8][9][10][11]}

효과

불순물(예: 합금, 벌꿀, 청량 음료, 아이스크림 등)의 경우 녹는점이 녹는 구간으로 넓어진다. 온도가 녹는 구간 안에 있으면 평형 상태에서 "슬러리"를 볼 수 있다. 즉, 슬러리는 완전히 굳지도 녹지도 않는다. 이것이 산 정상의 고순도 새 눈이 녹거나 고체 상태를 유지하는 반면, 도시 지면의 더러운 눈은 특정 온도에서 진창이 되는 경향이 있는 이유이다. 용융된 기저 금속의 불순물 또는 용접봉에서 유래한 고농도 황을 포함하는 용접 용융 풀은 일반적으로 매우 넓은 용융 구간을 가지며, 이는 고온 균열의 위험을 증가시킨다.

냉각 시 거동

액상선 온도 이상에서는 물질이 평형 상태에서 균일한 액체이다. 시스템이 액상선 온도 이하로 냉각되면, 물질에 따라 충분히 오랜 시간 기다릴 경우 용융물에서 점점 더 많은 결정이 형성된다. 또는 충분히 빠른 냉각, 즉 결정화 과정의 운동학적 억제를 통해 균일한 유리를 얻을 수 있다.

물질을 액상선 온도로 냉각할 때 가장 먼저 결정화되는 결정상을 1차 결정상 또는 1차상이라고 한다. 1차상이 일정하게 유지되는 조성 범위를 1차 결정상 영역이라고 한다.

액상선 온도는 유리 산업에서 중요하다. 왜냐하면 결정화는 유리 용융 및 성형 과정에서 심각한 문제를 야기할 수 있으며, 제품 고장으로 이어질 수도 있기 때문이다.^[12]

같이 보기

• 녹는점
• 상평형 그림
• 용해점