[재료공학]냉각곡선실험 예비 레포트

소개

냉각 곡선을 이용한 상태도 실험입니다.

목차

실험목적
이론
뉴턴의 냉각 법칙
과냉각
공정(Eutectic), 공석(Eutectoid), 포정(peritectic), 포석 반응(peritectoid)
The Gibbs phase rule
The Seebeck effect
열전대
실험방법
Reference

본문내용

본실험은 물질의 상변태온도를 열분석 방법을 이용, 측정하여 상태도를 작성하며, 이로서 물질의 상변태를 열역학적으로 이해하는데 목적이 있다. 또한 상태도에 대한 전반적인 이해를 증진시켜, 이를 이용하여 상변태 및 결정구조를 예측하고 합금설계 및 열처리 등의 실제공정에 응용하는 능력을 기른다.
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열역학 이라는 것은 실험에 의존하여 만들어진 법칙을 기본으로 하고 있어서, 열역학적으로 만들어진 기초를 원자의 스케일로써 설명하기에 적합하진 않다. 왜냐면 열역학은 실험에서 나타나는 현상들을 바탕으로 만들어진 일종의 도구로써, 그것의 직접적인 이유는 열역학 내에서 찾을 수 없다.
그러므로, 열역학은 우리가 목적으로 하는 실험의 예상치는 잘 가르쳐 준다. 즉 그 원하는 조건에서 만들어질 상(phase)이 평형인지 아닌지 쉽게 예측 할 수 있는 것이다. 덕분에 우리는 열역학이라는 훌륭한 도구로써, 해당 상의 평형 여부를 쉽게 알 수 있고, 다른 평형상으로 자발적으로 움직인다거나, 해당상이 평형하여, 그 상을 유지하게 될 것이라는 등의 정보를 얻을 수 있다.

그렇다면 해당 상의 조건이 그 상의 평형조건에서 벗어나게 된다면, 그 상은 평형이 되는 다른 상을 찾아서, 즉 열역학 적으로 안정한 평형상을 찾아서 움직일 것이다. 즉 상변태가 일어나게 된다. 예를 들자면, 1기압의 실험실에서 순수한 물의 온도를 섭씨 0도에 접근 시키면, 그 때의 평형상은 두 가지가 섞여 있는 상태이다. 즉 고체 상태의 물과, 액체 상태의 물 둘 다 열역학적 평형 조건에 맞아 떨어진다.
하지만, 물을 섭씨 -0.1도의 reservoir와 연결하여 지속적인 열 접촉을 유지시킨다면, 물의 안정상이 고체가 되는 것을 쉽게 알 수 있다. 하지만 여기서 열역학의 한계점 또한 나타나게 된다.

위 실험 모델에서 물은 충분한 시간을 주어야 얼음으로의 상변태를 겪게 된다. 하지만 열역학은 이런 반응의 속도 자체를 다루지는 못한다. 그것은 열역학이 태생할 때부터 실험에 의존하여 만들어진 학문으로써, 그 근본적인 이유를 찾기 보다는, 시스템이 평형을 결정짓는 실험치와의 관계를 찾아내는 데에서 출발했기 때문이다. 즉 열역학은 화학적 반응의(우리의 경우는 metallurgical reaction) 속도를 결정짓는 데는 무리가 있다.
과냉각이라는 것은 열역학적으로 해당 환경(특정 압력, 온도, 조성 등에서)에 열역학적 안정상이 있음에도 불구하고, 그 안정상에 해당하는 상으로 존재하지 않는 것을 일컫는 말이다. 혹은 그렇게 열역학적으로 안정된 상에 도달 하지 않는 상의 성질을 고려하여, 평형온도(전이온도, 상변태 온도 등)보다 훨씬 큰 변이를 주어, 의도하는 상변화를 이끌어 낼 때도 과냉각, 과열의 말을 쓸 수도 있다.

참고자료

· Physical metallurgy principles / Robert E. Reed-Hill, Reza Abbaschian. 3rd edition / chapter 7 p205
· Material Science and Engineering, An Introduction / 5th edition/ William D. Callister, Jr. / p 272
· Manual on the use of thermocouples in temperature measurement / sponsored by ASTM / 1916 Race street, Philadelphia.
· 열전대 / 1990 / 배길호 又進