응고

응고(coagulation)는 응고점(solidifying point)에서 액체가 고체로 변하는 상전이(phase transition) 현상이다. 응고는 액체가 냉각되어 고체가 되는 상태 변화로서, 분자의 위치 이동이 활발한 액체를 계속 냉각시키면 분자 운동이 감소하여 분자들이 각 고정점에서 이동할 수 없는 상태가 된다. 이것을 고체 상태라 한다. 응고가 일어나는 온도를 응고점이라 한다. 물의 응고점은 섭씨 0도이다.

상세

물의 상그림

응고 과정에서 액체는 열 에너지를 방출하면서 고체 상태로 변하게 된다. 응고열(heat of solidification)로 방출되는 열 에너지 때문에, 일정한 압력 하에서 응고가 시작되면 응고 현상이 끝날 때까지 온도가 일정하게 유지된다. 액체가 완전히 고체로 변한 다음에 다시 온도가 내려가기 시작한다.

열역학적인 관점에서 응고점에서는 깁스 자유에너지(Gibbs free energy)의 변화 이지만, 엔탈피(enthalpy) 와 엔트로피(entropy) 가 변한다. 고체의 깁스 자유에너지가 액체의 깁스 자유에너지보다 낮으면 응고 현상이 일어난다. 응고점에서의 엔탈피와 엔트로피의 변화는 다음 관계가 있다.

∆S = ∆H/T

이 때 는 응고점의 온도이고, 는 응고열이다. 응고는 엔트로피 , 부피 등의 물성이 급격히 변하는 일차상전이(first-order phase transition)에 해당한다. 이는 액체가 고체로 응고될 때 엔트로피와 부피 등의 깁스 자유에너지의 1계 도함수(first derivative)들이 불연속성(discontinuity)을 가짐을 의미한다. 한편 그림의 물의 온도-압력 상그림(phase diagram)에서 보이는 바와 같이 일정한 온도에서 압력이 변화해도 응고가 일어날 수 있다.

응고는 고체가 액체로 상전이 되는 융해(melting)의 반대과정이다. 일반적으로 응고점(어는점)과 녹는점(melting point)이 같으므로 같은 온도에서 응고와 융해가 일어나지만, 고체-액체 상전이 온도가 다른 경우도 있다. 한천의 경우 32~40°C 에서 응고가 일어나고, 85 °C 에서 융해가 일어나는 열 이력 현상을 보인다. 또한 액체가 고체로 상전이 될 때 결정 구조를 형성하게 되는데, 대부분의 물질은 이 과정에서 분자, 원자 사이의 거리가 가까워지므로 부피가 감소한다. 예외로 응고가 일어날 때 부피가 증가하는 물질도 있는데, 물, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi) 등이 이에 해당한다.

액체를 냉각시킬 때 고체로 상전이 되지 않고 액체 상을 유지하면서 응고점 아래로 냉각되는 과냉각(supercooling) 현상이 일어날 수 있다. 이는 고체 상태로의 결정화가 일어나기 위해서 큰 활성화 에너지(activation energy)가 필요하기 때문이다.

참고자료

• 〈응고〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 액체
• 고체
• 기화
• 액화

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