용해 한도, 상평형

고용체 형성에 있어 용매에 용해되는 용질 원자의 최대 농도는 온도에 따라 정해져 있으며, 이를 가리켜 용해 한도라고 한다. 용해 한도 이상으로 용질을 첨가하면, 전혀 다른 조성을 갖는 별개의 고용체나 화합물이 형성된다. 설탕-물 계를 예를 들어 보기로 하자. 설탕을 물에 첨가하기 시작하면, 먼저 설탕-설탕물이 된다. 설탕의 양이 증가하면 용액은 점점 진해지고 용해 한도에 이르면, 용액은 설탕으로 포화가 된다. 이 상태가 되면, 설탕은 더 이상 녹지 않고 용기 바닥에 가라앉는다. 그러므로 계는 2개의 서로 다른 물질로 구성된다. 물에 녹는 설탕의 용해 한도는 물의 온도에 따라 변하며, 온도와 설탕 무게 함량으로 그래프로 표현할 수 있다. 조성 축에서 설탕의 농도는 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하며, 물의 함량은 오른쪽에서 왼쪽으로 증가한다. 단지 두 성분으로 구성되므로, 어느 조성에서든지 농도의 합은 100wt%이다. 용해 한도는 거의 수직선으로 나타나며 용해도 선을 중심으로 왼편에는 설탕물이 존재하며, 오른편에는 설탕물과 고형 설탕이 같이 존재한다. 임의의 온도에서의 용해 한도는 포화 용해도 선과 온도 좌표가 교차하는 점의 조성이다. 용해 한도는 온도가 증가함에 따라 조금씩 증가한다.

상은 상태도를 이해하는데, 매우 중요한 개념이다. 상은 물리적 화학적 특성이 균일한 계의 균질한 부분으로 정의할 수 있다. 모든 순수한 물질과 모든 용액도 상으로 볼 수 있다. 예를 들면, 설탕물은 하나의 상이며, 고형 설탕도 또 하나의 상이다. 각각은 서로 다른 물리적 성질을 가지며, 화학적으로도 서로 다르다. 또한 하나는 순수한 설탕이고, 다른 하나는 물과 설탕의 용액이다. 주어진 계에 하나 이상의 상이 존재하면, 각각의 상은 각기 고유의 성질을 갖게 된다. 그러므로 상들의 경계에서는 물리적 화학적 성질이 불연속적으로 급변한다. 하나의 계가 2개의 상으로 되어있는 경우에는 물리적 성질과 화학적 성질이 모두 다르지 않아도 된다. 즉, 하나의 성질만 달라도 된다. 용기 안에 물과 얼음이 있으면, 별개의 2개의 상이 존재하게 된다. 하나는 액체이고 다른 하나는 고체이므로 물리적 성질은 서로 같지 않지만, 화학적 성분은 서로 동일하다. 또한 하나의 물질이 두 가지 이상의 폴리머 형태로 존재할 수 있으며, 각각의 구조는 물리적 특성이 서로 다르므로 별개의 상이 된다. 1개의 상으로 구성된 계를 '균질'하다고 하고, 2개 이상의 상으로 구성된 계는 '혼합물' 또는 '비균질계'라고 한다. 대부분의 금속 합금, 세라믹, 폴리머와 복합 재료계는 비균질계이다. 다상계의 성질은 개별 상과 다르며, 상들의 상호작용으로 더 좋은 성질을 나타낸다.

대부분의 경우, 재료의 물리적 성질과 특히 기계적 거동은 미세조직에 따라 변한다. 미세조직은 광학 현미경이나 전자현미경으로 직접 관찰할 수 있다. 금속 합금에서, 미세조직은 상의 수, 비율, 분포 방식에 따라 특징이 나타난다. 합금의 미세조직은 합금 원소의 종류와 농도, 합금의 열처리 등의 변수에 따라 변한다. 현미경 관찰을 위해 시편을 적절히 연마하고 에칭하면, 상들은 각기 다른 모습으로 나타난다. 예를 들면, 2개 상의 합금에는 한 상은 밝게 보이고, 다른 상은 어둡게 보인다. 단일상이나 고용체의 경우에는 입계를 제외하고는 구성 조직이 모두 동일한 모습으로 나타난다.

평형은 또 하나의 중요한 개념이며, 열역학적 양인 자유에너지로 잘 나타낼 수 있다. 자유에너지는 계의 내부에너지와 원자들의 무질서도의 함수이다. 온도, 압력 및 조성의 특정 조합하에서 자유에너지가 최소이면, 계는 평형 상태에 있게 된다. 거시적 관점에서 보면, 평형이란 계의 특성이 시간에 따라 변하지 않고 계속 유지되는 것을 말한다. 즉, 계가 안정되어 있다는 것이다. 평형 상태의 계에서 온도, 압력 또는 조성이 변하면 자유에너지의 증가를 초래하여, 자유에너지가 낮은 다른 상태로 즉각적인 변화가 일어난다. 상평형이란 1개 이상의 상이 존재하는 계의 평형을 일컬으며, 시간에 따라 상의 특성이 변하지 않는 것을 의미한다. 설탕과 물이 밀폐된 용기에 들어 있고, 20도에서 설탕물은 고체 설탕과 서로 접하고 있다. 계가 평형 상태에 있다면, 설탕물의 조성은 65wt% 설탕 - 35wt% 물이며, 설탕물과 고체 설탕의 양과 조성은 시간에 따라 변하지 않을 것이다. 계의 온도가 갑자기 증가하면, 용해 한도가 80wt% 설탕까지 증가하므로 평형 상태, 즉 균형이 일시적으로 깨지게 된다. 그러므로 고체 설탕은 어느 정도 설탕물에 더 녹게 된다. 더 높은 온도에서 이루어지는 설탕물의 새로운 평형 농도에 도달할 때까지 고체 설탕은 계속 녹는다.

이러한 설탕-설탕물의 예는 액체-고체 계에 대한 상평형의 기본 원리를 잘 나타내 주고 있다. 많은 금속학적 재료계의 관심은 단지 고상의 평형이며, 이러한 관점에서 계의 상태는 미세조직의 특징으로 나타난다. 미세조직의 특징은 존재하는 상들과 그 상의 조성뿐만 아니라 상의 상대적 양과 상들의 공간적 배열, 분포 등에 의해 결정된다. 자유에너지와 상태도는 어떤 특정계의 평형 특성에 관한 많은 정보를 제공한다. 그러나 이들은 새로운 평형 상태에 도달하는 데 필요한 시간을 나타내고 있지는 않다. 고체 계에서는 평형에 도달하는 속도가 매우 느리므로 완전한 평형 상태에 이르지 못하는 경우가 종종 있다. 이러한 계를 가리켜 비평형 또는 준 평형 상태라고 한다. 준 평형 상태 또는 준 평형 미세조직은 시간에 따라 감지할 수 없을 정도의 변화가 일어나므로 준 평형은 실질적으로 계속 유지된다고 볼 수 있다. 준 평형 구조는 평형 구조보다 실질적인 중요성을 갖기도 한다. 예를 들면, 강이나 알루미늄 합금은 경우에 따라서 준 평형 미세조직을 갖도록 특별히 설계한 열처리를 통하여 강도를 높이기도 한다. 평형 상태와 평형 구조를 이해하는 것도 중요하지만, 평형 상태에 이르는 속도도 중요한 인자이다.