P-T 선도 (Phase Diagram)

P-T 선도 (Pressure-Temperature Diagram)는 압력(P)과 온도(T)를 축으로 하여 물질의 세 가지 상(Solid, Liquid, Gas)이 존재할 수 있는 영역을 나타낸 평형 도면이다. 상선도(Phase Diagram)라고도 부르며, 특정 압력과 온도 조건에서 물질이 어떤 상태인지 판단하는 데 사용한다.

 

 

 

P-T 선도 (Phase Diagram)

3개의 상이 3개의 선에 의해 분리되어 phase diagram이라고도 한다.

다음 그림은  압력과 온도에 따른 물질의 상변화를 보여주는 순수물질의 P-T 선도이다.

 

<그림 1> 순수물질의 P-T 선도

 

 

상변화 곡선 및 물리적 정의

선도 내의 세 가지 곡선은 두 상이 평형을 이루며 공존하는 상태를 의미한다.

• 융해 곡선 (Fusion Curve): 고체와 액체 영역을 분리한다. 고체가 액체로 변하는 융해(Melting)와 그 반대인 응고(Freezing)가 일어나는 경계이다.
• 증발 곡선 (Vaporization Curve): 액체와 증기(기체) 영역을 분리한다. 기화(Evaporation)와 액화(Liquefaction/Condensation)가 평형을 이룬다. 이 선은 임계점에서 종료한다.
• 승화 곡선 (Sublimation Curve): 고체와 증기 영역을 분리한다. 액체를 거치지 않고 고체에서 기체로, 또는 기체에서 고체로 직접 변하는 승화(Sublimation)가 발생한다.

 

 

주요 특이점 (Special Points)

• 삼중점 (Triple Point): 고체, 액체, 기체의 세 가지 상이 동시에 평형을 유지하며 공존하는 지점이다. 물질마다 고유한 온도와 압력을 가지며, 물의 삼중점(273.16 K, 611 Pa)은 열역학적 온도의 정의 기준이 된다.
• 임계점 (Critical Point): 증발선의 종착점이다. 이 지점 이상의 온도와 압력에서는 액체와 기체의 밀도가 같아져 계면이 사라지며, 이를 초임계 유체(Supercritical Fluid)라고 한다.

밀폐된 용기에서 액체를 가열하면 끓지 않는다. 온도가 올라가면 증기 압력이 증가하고 액체가 증발하기 때문에 증기 압력은 증가한다. 동시에 액체는 온도가 올라감에 따라 팽창을 해서 밀도가 감소한다. 마침내 증기의 밀도와 액체의 밀도가 같아지게 되면 기체와 액체 상 사이의 표면이 없어진다. 이때 표면이 없어지는 온도를 임계 온도(critical temperature)라고 하고 증기 압력을 임계 압력(critical pressure)이라고 한다. 임계 온도와 임계 압력을 상평형 그림에 표시한 곳이 임계점(critical point)이 된다. 임계 온도와 임계 압력 이상의 영역에서는 균일한 단일 상이 용기를 가득 채우며 계면이 없는데, 이를 초임계 유체(supercritical fluid)라고 한다.

 압력과 온도의 조건을 맞추면 세 가지의 서로 다른 상, 일반적으로 고체, 액체, 기체가 모두 동시에 존재하며 평형을 이룰 수 있다. 세 상의 경계가 맞나는 점이 삼중점(triple point)이다. 물질의 삼중점은 물질마다 고유한 온도와 압력에서 나타낸다. 물의 삼중점은 273.16 K, 611 Pa(6.11 mbar, 4.58 Torr)이며, 삼중점이 변하지 않으므로 열역학적 온도를 정의하는데 기본이 된다.

 

 

물질의 상태 영역

선도 내의 각 영역은 물질의 물리적 상태를 정의한다.

• 고체 영역 (Solid Region): 낮은 온도와 높은 압력 영역에 위치한다.
• 액체 영역 (Liquid Region): 중간 온도와 높은 압력 영역(삼중점과 임계점 사이)에 위치한다.
• 기체 영역 (Gas Region): 높은 온도와 낮은 압력 영역에 위치한다.

 

 

물질별 특성 비교 (물과 이산화탄소)

대부분의 물질은 압력이 높아지면 녹는점(Melting Point)이 상승하지만, 물은 예외적인 특성을 보인다.

• 물 (H₂O): 융해 곡선의 기울기가 음(-)의 방향이다. 즉, 압력이 높아지면 녹는점이 낮아진다. 이는 얼음보다 액체인 물의 밀도가 더 크기 때문에 발생하는 현상이다.
• 이산화탄소 (CO₂): 융해 곡선의 기울기가 양(+)의 방향이다. 일반적인 물질처럼 압력이 높아지면 녹는점이 상승한다. 또한 삼중점 압력이 대기압(101325 Pa)보다 높아 상온·상압에서 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 승화성(Dry Ice)을 가진다.

 

 

Source : 충남대 바이오시스템기계공학과 교재

<그림 2> 물의 P-T 선도와 그에 따른 상변화

 

 

Source : https://joonyoungsun.tistory.com/entry/

 

<그림 3> 물의 Phase Diagram

 

<그림 4> 이산화탄소의 Phase Diagram

 

 

상태 변화 온도 (Boiling & Melting Point)

• 끓는점 (Boiling Point): 액체의 증기 압력이 외부 압력과 같아져 액체 내부에서 자유 증발이 일어나는 온도이다.
• 정상 끓는점 (Normal Boiling Point): 외부 압력이 1 atm일 때의 온도 (물: 100°C)
• 표준 끓는점 (Standard Boiling Point): 외부 압력이 1 bar일 때의 온도 (물: 99.6°C)
• 녹는점 (Melting Point): 액체상과 고체상이 평형을 이루는 온도로 어는점과 같다. 외부 압력에 따라 정상 녹는점(1 atm)과 표준 녹는점(1 bar)으로 구분한다.

 

물질에 따른 융해선의 거동

물질이 응고할 때의 체적 변화에 따라 P-T 선도상의 융해선 기울기가 달라진다.

• 일반적인 물질: 얼 때 수축하므로 압력이 높아지면 녹는점이 상승한다(우상향 기울기).
• 물 (H₂O): 얼 때 팽창하는 특성이 있어 압력이 높아지면 녹는점이 낮아진다(좌상향 기울기).

 

Reference : 충남대 바이오시스템기계공학과 교재