재료 열역학 - Phase Diagram의 비밀_intro

재료 열역학 - Phase Diagram의 비밀_Intro

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안녕하세요~ 연재에 앞서 제 소개를 먼저 드리려고 합니다. 저는 공우 7기 재료공학부 14학번 조재연입니다. ^0^ 제가 이 연재를 시작하게 된 건 음… 뭐랄까 재료과에서 없어서는 안될 기본 과목 중의 하나인 재료 열역학에 대한 얘기를 나누고 싶어서에요. 뭐 저도 이 분야의 엄청난 전문가는 아니지만, 한 학기 동안 수업 들으면서 깨닫게 된 다양한 것들을 많은 사람들과 공유해 보고 싶었습니다. 글 솜씨도 많이 부족하고 모자란 점이 많을 수도 있는 포스팅이지만 함께 좋은 지식 교환의 장을 만들어 갔으면 합니다.

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1. 열역학과 재료 열역학

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열역학은 많은 다른 분야에서도 배우고 활용하는 학문입니다. 기계과의 열역학, 물리과의 열역학, 화학과의 역학……. 이 열역학들은 기본적인 내용이 같지만, 무엇을 주로 다루느냐에 있어서 약간의 차이가 있습니다. 기계과에서는 엔진 위주의 열역학을, 물리과에서는 통계열역학을 좀 더 자세히 다룬다고 얼핏 들은 것 같습니다. 다른 과는 잘 모르겠지만^^ 재료과의 열역학인 재료 열역학은 주로 깁스 프리에너지를 다룹니다. 깁스 프리에너지의 대소를 비교해 어떤 상이 더 안정한지, 반응을 하는 것이 더 안정할지 이런 것들을 판단하는 거죠. 특정 조건에서 가장 안정한 상이 실제로 존재할 확률이 높겠죠? (음…. 열역학 뿐만 아니라 반응속도론도 고려해야 하지만 우선은 이렇게 얘기해 둡시다. 무한대의 시간이 지난 후에는 가장 안정한 상이 존재하게 되어 있어요. 나중에 더 얘기할게요.) 그리고 이런 깁스에너지 비교로 어떤 조건에서 어떤 상이 가장 안정한지 한눈에 알 수 있는 도표를 그립니다. 바로 Phase Diagram(상평형도)라고 불리는 것이죠. 재료 열역학에서는 다양한 물질에 대한 Phase Diagram에 숨겨진 비밀을 알고 그를 통해 Diagram에 담긴 정보를 해석하는 것에 초점을 맞춥니다.

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2. 재료 열역학의 필요성?

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우선 앞에서 언급한 것과 같이 재료 열역학은 Phase Diagram을 이해하고 활용하는데 필수적입니다! 그리고 Phase Diagram은 물질의 특성을 제어하는데 아주 중요하죠. 중학교 때 배운 물의 상평형도를 기억하십니까? 물은 1기압 섭씨 120도에서는 기체로 존재하고, 1기압 섭씨 -5도에서는 고체로 존재합니다. 그에 따라 물질의 특성, 즉 물성이 크게 달라지죠. 기체인 수증기는 정해진 부피도 없는데 고체인 얼음은 모양과 부피가 정해져 있고, 수증기는 흐를 수 있는데 얼음은 그것도 불가능합니다. 이렇게 조건에 따라 상이 변화하면 물질의 특성이 바뀌게 됩니다. 그것을 이해하지 못하고 제품을 만들면 분명 겨울엔 멀쩡했는데, 여름엔 녹아내린다거나 하는 일이 일어날 수 있겠죠? (사실, 실제는 이것보다 더 복잡합니다. 같은 고체도 다른 물성을 가지고 고체에도 다양한 상이 존재해요… 음… 이 예시는 좀 극단적인 것이고 현실성이 없을 수도 있어요. 실제로는 뭐 저온에서 상변화를 해서 더 딱딱해지지만 잘 부러진다거나 뭐 이런일이 벌어질 수 있어요.) 그래서 상평형도를 이해하는 것이 물질을 선택하고 사용할 때 아주 중요한 거랍니다.

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3. 포스팅의 순서?

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저는 Gaskell의 Introduction to the Thermodynamics of Materials 책 5th edition을 참고하면서 진도를 나가보려고 해요. 음.. 제가 순서를 다시 정리하고 새로 설명을 하기엔 실력이 너무 부족하기 때문이죠..ㅠㅠ 그래서 다음과 같은 목차로 진행해 보려고 합니다.

• Chapter 1. Introduction and Definition of Terms
• Chapter 2. The First Law of Thermodynamics
• Chapter 3. The Second Law of Thermodynamics
• Chapter 4. The Statistical Interpretation of Entropy
• Chapter 5. Auxiliary Functions
• Chapter 6. Heat Capacity, Enthalpy, Entropy, and the Third Law of Thermodynamics
• Chapter 7. Phase Equilibrium in a One-Domponent System
• Chapter 8. The Behavior of Gases
• Chapter 9. The Behavior of Solutions
• Chapter 10. Gibbs Free Energy Composition and Phase Diagrams of Binary Systems
• Chapter 11. Reactions Involving Gases
• Chapter 12. Reactions Involving Pure Condensed Phases and a Gaseous Phase
• Chapter 13. Reaction Equilibria in Systems Containing Components in Condensed Solution
• Chapter 14. Phase Diagrams for Binary Systems in Pressure-Temperature-Composition Space
• Chapter 15. Electrochemistry

 

포스팅도 처음이고 부족한 점이 정말 많을 것 같아서 저도 조금 많이 떨려요 사실! (게다가 수업을 들은 부분은 11단원까지라는 사실!! ㅠㅠ 나머진 제가 공부해 가면서 써 보려고 해요.) 하지만 최선을 다해서 재료 열역학에 대해 얘기해보도록 하겠습니다. 틀리거나 모호한 것에 대해 지적이나 질문 많이 부탁드립니다.