재료상변태 [2] Gibbs Free Energy

 

상변태	Thermodynamics	자발성/ stable/ 구동력의 크기 (gibbs free Energy)
	Kinetics	얼마나 '빠르게' 일어나는가?

 

 

1. Gibbs Free Energy

△Ga: 열처리(Annealing)으로 recrystallization

 

이때,  △g가 클수록/ T가 작을수록 Energy Barrier를 넘기 힘들다.

 

 

이러한, gibbs Free Energy 식은 구동력에 대한 고려는 있지만, 얼마나 '빠르게' 일어나는 지에 대한 kinetic적인 요소는 고려되지 않는다. 

 

 대표적인 예시를 살펴보자.

예1) Diamond vs. Graphite
 흑연의 △g가 더 낮지만, diamond에서 graphite로 가는 반응이 엄청나게 느리다.

예2) Wood vs. Burn Wood
 연소된 나무의 △g가 더 낮지만, 나무가 연소되기 위해서는 추가적인 Energy(spark, heat)가 필요하다.

예3) 음식의 부패
: 낮은 온도인 냉장고 안에서는 kinetic rate가 낮다.

 

 

이 중에서, Diamond에서 Graphite로 가는 반응에 대해 살펴보자.

 

2. Diamond → Graphite 반응

△g_298 = △ H_298 - T△S_298 은 항상 0보다 작다. 즉, 이 반응은 항상 자발적이므로, 무조건 graphite가 diamond보다 안정하다는 뜻이다.

 

 위 식에서 추가로 알 수 있는 것은 T(온도)가 높으면 △g가 낮은데, 즉, 열역학적으로 온도가 높으면 구동력이 커질 뿐 아니라 Kinetic적으로도 유리하다.

Kinetic Rate

 

 Diamond와 Graphite 사이의 Gibbs Free Energy차이를 구해보자.

 

 diamond에서 Graphite로 갈때 △g가 0보다 작다. 그러나 이 둘의 혼성 오비탈이 각각 다르기 때문에 강한 bond의 배열을 바꾸는데, 추가적인 Energy가 반드시 필요하다. 만일 이 E를 적게 투입해도 bond를 바꾸고 싶으면 촉매를 넣어줘야한다.

 

 

 dG = VdP - SdT라는 gibbs Free Energy 식을 적분해보자.

그러면, P와 T에 대한 변수로 나타낼 수 있다.

 

Pressure(P)가 증가하면 앞에 +가 붙어있으므로, Diamond에서 Graphite로 가는 △g가 더 커진다. 즉, Energy Barrier가 더 커진다는 말로 diamond가 더 안정하다.

 

 Temperature(T)가 증가하면, Diamond에서 Graphite로 가는 △g가 작아진다. 즉, Energy Barrier가 낮아져 Graphite가 더 안정해진다.