상태도 (1) - 상태도의 해석 - 용해한도,상평형,

재료를 이용해 설계를 하는데 있어서 재료의 미세구조를 파악하는 것은 굉장히 중요합니다.

이러한 미세구조는 상태도 특성에 관련이 있기 때문에 상태도를 해석하는 것 또한 굉장히 중요합니다.

상태도는 물질에 대한 여러가지 정보를 제공해 줍니다.

두 원소가 결합 하였을 때 어떠한 상태로 평형을 이루고 있는지, 또한 온도나 여러가지 조건에 따라 어떻게 변화하는지에 대해 말입니다.

우선 상태도를 보면, 알아야 할 단어들이 있습니다.

우선 예를 들어 생각해 보겠습니다. 위 그래프를 물에 설탕을 넣는 그래프라고 생각해 보겠습니다.

가로축 (x축)을 wt% (용액에 넣은 용질의 무게의 비) 로 생각해보면, 오른쪽으로 갈 수록 설탕의 양이 증가합니다.

이때 설탕의 양을 지속적으로 증가시키면 처음에는 설탕물이 형성되다가 용해 한도 라는 곳을 지나게 됩니다.

용해한도라는 것은 용매에 용해될 수 있는 용질 원자의 최대 한도를 의미합니다.

이때 용해한도를 거치고 나면 설탕이 더이상 용해되지 않아 가라앉는 모습을 생각할 수 있습니다.

자 그럼 이제 위의 그래프를 다시 보게 되면, 설탕이 추가됨에 따라 용해한도 까지는 고용의 형태로

나타나 액체 상이 유지되게 됩니다.

이후 용해한도 구간을 넘어서게 되면 설탕이 가라앉은 부분에서는 설탕 고체와 액체의 혼합물의 형태로 

새로운 상의 형태가 생기게 됩니다.

이때 상 이라 함은 물리적,화학적 특성을 갖는 뚜렷이 구분되는 균일 영역입니다.

하나의 단일상을 균일계, 둘 이상의 상을 가지는 계를 불균일계 라고 합니다.

위의 그래프에서는 liquid상과 solid+liquid의 두 상으로 나뉘어져 있는 불균일 계 라고 할 수 있습니다.

합금에서, 합금계에 존재하는 원소나 화합물 개체를 성분 이라고 합니다.

 

 

 

이제 조성과 분률에 대해 알아볼텐데,

구리-니켈 상태도에서 살펴보면 T라는 온도에서 L의 조성은 \(C_1\) \(\alpha\)의 조성은 \(c_2\)가 됩니다. 

그 점에서 좌우로 수평선을 그어서 만나는 지점의 조성을 단순히 찾아주면 되는 것 입니다.

그 외에 L이나 \(\alpha\)만으로 이루어진 상에서는 그냥 그 지점의 조성을 읽어주면 됩니다.

그렇다면 분률은 무엇이냐하면 같은 온도 T에서 L의 분률은 \(\frac{C_2-C_0}{C_2-C_1}\)이 됩니다. 생각해보면 자신의 상 반대 쪽 부분을 분자로 가지는 셈 입니다.

마찬가지로 \(\alpha\)의 분률은 \(\frac{C_0-C_1}{C_2-C_1}\)이 됩니다.

 

자 이제 평형이라는 개념이 중요합니다. 자유에너지는 내부에너지와 엔트로피로 이루어진 함수입니다. 특정 조건 하에서

이러한 자유에너지가 최소가 되면, 더이상 자발적인 반응이 없어 계는 평형 상태가 됩니다.

이러한 상평형은 하나 이상의 상이 있는 계에서 적용되는데, 예를들어

구리-은 상태도를 살펴보도록 하겠습니다. 여기서 보시면 \(\alpha\)+L과 \(\beta\)+L 그리고 \(\alpha+\beta\)상 같은 경우에는 두 원소의 자유에너지가 그 구간에서는 같은 것 입니다. 또한 이러한 상에서는 같은 온도에서는 분률이 항상 같게 됩니다.