[물��야금]2원계상태도

이번 실험인 Pb-Sn합금 2원계 상태도 작성은 Pb-Sn을 원하는 %만큼 무게를 재어 용융시킨 다음, 기전력을 이용한 열전대를 사용하여 응고 될 때까지의 온도를 측정을 한다. 측정한 그래프에서 녹는점을 알아내고, Pb-Sn의 분율 그래프에 그에 따른 녹는점을 찍어 Pb-Sn의 상태도를 그린다. 이 실험으로 상태도에 대한 전반적인 이해왿� 자유도왿� Cold Junction에 대해 알아본다.

2. 이론적 배경

1) Gibbs 상률(자유도)

상의 평형 조건을 통제하는 원리뿐만 아니라 상태도의 구성은 열역학 법칙에 기반을 두고 있다. 이 법칙들 중의 하나가 19세기의 물리학자 J. Willard Gibbs가 제안한 Gibbs의 상률(Gibbs phase rule)이다. 이 법칙은 평형계에 존재하는 상의 수에 대한 기준을 나타낸 것으로, 다음 식과 같이 표현된다.


여기서, P는 존재하는 상의 개수이다.(상: 물리적, 화학적 특성이 균일한 계의 균질한 부분으로 정의할 수 있다.) 매개변수 F는 자유도의 수 (number of degrees of freedom), 즉 계를 정의하는데 규정되어야 할 외부의 통제 변수(ex: 온도, 압력, 조성)의 수를 나타낸다. 바꾸어 표현하면, F란 평형 상태에서 공존하는 상의 개수를 바꾸지 않고, 독립적으로 변할 수 있는 변수의 개수이다. 매개변수 C는 계의 성분 수를 나타낸다. 성분이란 일반적으로 원소 또는 안정된 화합물로, 상태도에서는 조성축의 맨 끝단에 위치한 재료이다.(Pb-Sn에서는 Pb왿� Sn 즉, 2이다.) 마지막으로 N은 조성과 관련 없는 변수 (ex: 온도왿� 압력)의 개수이다.
ex) Gibbs 상률을 순수한 물의 상태도에 적용하면 :
① 삼중점에서 3가지 상은 평형상태로 공존하며, 계에 한 성분(물)이 있기에 자유도의 수는:
P + F = C + 2
3 + F = 1 + 2
∴ F = 0 (자유도)