상(phase)

요약

하나의 계에서 다른 부분과 확실한 경계를 의미할 때 상이라 합니다

정의상 가정	계(system), 결정(crystal)
내용상 가정
공식
단위
응용	미세구조(microstructure)

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어떤 물질의 상이라는 것은 두가지 개념이 있습니다.

하나는 물질의 상으로 기체인지, 액체인지, 고체인지 보는 것입니다. 이에 따라 기상, 액상, 고상으로 나뉩니다.

다른 하나는 소재의 상입니다. 즉 하나의 계에서 다른 부분과 확실한 경계를 의미할 때 상이라 합니다. 이는 결정구조나 조성에 따라 구분합니다. 계내부에 균일한 영역, 즉 그 자체로 균질한 영역을 하나의 상이라 합니다. 

그냥 간단하게 말해 같은 물리적, 화학적 성질을 가지고있는 것들만이 이루고있는 것을 상이라고 보면 됩니다.

이 상은 익히 알듯이 외부 요인에 의해 변형이 되고 시간에 따라서도 변형이 됩니다.

이때 상은 세가지로 나뉩니다.

단일성분, 고용체(solid solution), 화합물(compound)입니다. 철(Fe)과 탄소(C)를 빗대 표현하자면

단일성분은 Fe와 C가 따로따로 상으로 존재하는 것이고

고용체는 Fe-C로 그냥 공간안에 섞여 있는 것입니다. 따라서 단일성분과 고용체는 결정구조가 같습니다.

반면 화합물의 경우 Fe와 C가 반응하여 새로운 결정구조를 만들어냅니다.

즉 가 되는 겁니다. 즉 단일성분과 고용체와 결정구조가 상이합니다.

한 물질안에 1개의 상만 존재하는 것을 1상, 즉 균질계라 부르며

2개의 상이 존재하는 것을 2상 불균질계(혼합물)이라 부릅니다.

또한 동일물질이지만 서로 다른 결정구조를 띄는 경우가 있습니다.

즉 물질은 동일하지만 물리적 성질이 다른 것입니다. 이를 동질 이상(poly morphism)이라 부릅니다.

다시 철의 예를 들자면, 는 BCC구조의 물질이지만 여기에 912도의 열을 가하면 로 변화하여 FCC구조를 가지게 됩니다.

또한 는 mono-clinic이지만 1370도의 열을 가하면 Tetragonal이 되고 여기에 2320도의 열을 가하면 cubic이 됩니다.

이러한 상의 변화(pahse transformation)를 변태라 하며

인간은 이 상의 변화구조를 이용하여 소재를 제어합니다.

즉 상을 변화시킨 뒤 다시 원래의 상으로 돌아오는 과정에 시간의 개념을 넣어 급속으로 변화시키느냐 천천히 변화시키느냐에 따라 상이 다르게 변화할 수 있습니다. 

익숙한 예로 얼음에 열에너지를 가해 물로 상을 변화시킨뒤 급속 냉각을 시켜 얼음을 만들면 상변화하기 이전의 얼음과 이후에 얼음은 다를 수 있습니다.

결정립을 성장시키는 상변화도 있습니다.

즉 grain boundary가 줄어드는 것입니다.

더 나아가 식으로 표현하자면 

이때 는 고체의 경우 변화가 없고 는 구동려이며

즉 그결과로 의 면적이 증가하게 됩니다.

이에 대한 예는 분말에서 쉽게 볼 수 있습니다.

단순히 변형을 분말로 보겠습니다.

참고로 억양이 이상하지만 상이 변화하는 온도를 변태온도(transformation temp.), 상이 변태하는 데 걸리는 시간을 변태속도(transformation rate)라 합니다.