아이스크림, 카라멜 또는 멋진 퍼지 조각을 먹을 때 실제로 과학적으로 매우 복잡한 제품을 소비한다는 사실을 알지 못할 수도 있습니다! 온도와 결합 된 설탕과 물의 농도 사이의 상호 작용은 훌륭한 물리적 현상을 만듭니다. 이들은 실제로 소위 위상 다이어그램으로 표현 될 때 훌륭한 제품입니다. 이 다이어그램은 그러한 제품에 대해 많이 알려줍니다.
이 위상 다이어그램이 흥미 롭기 때문에 설명해 드리겠습니다.
위상 다이어그램
단계에서 위상 다이어그램의 정의를 시작하겠습니다. 위상 다이어그램에서 재료의 상 (또는 재료의 혼합)은 다른 온도 (및 압력)에서 표시됩니다. 따라서 물에 대한 위상 다이어그램에서 어떤 온도가 얼음에서 물로, 물에서 가스로 전환되는지 볼 수 있습니다.
이 포스트에서 우리는 반드시 하나의 물질 (예 :물)의 위상 다이어그램에 관심이 없지만 설탕과 물 또는 소금 및 물과 같은 두 가지 구성 요소가 혼합되어 있습니다.
아래 다이어그램은 이러한 다이어그램을 보여줍니다. 읽는 방법은 다음과 같습니다.
- 수평 축에서 소금 농도 (NaCl)를 찾을 수 있습니다. 가장 오른쪽은 100% 소금을 나타내며, 왼쪽은 100% 물을 나타냅니다.
- 수직 축은 온도를 나타냅니다.
- 4 개의 다른 색상 영역은 특정 온도와 농도에서 존재하는 단계를 나타냅니다.
소금의 상 다이어그램
두 가지 예를 살펴 보겠습니다.
- 소금의 농도가 5%이고 온도가 -10 ° C 인 경우, 우리는 붉은 영역 :얼음 + 바닷물로 끝납니다. 이것은이 혼합물에 바닷물과 얼음이 모두 있음을 의미합니다. ‘동결 지점 우울증’에 대한 게시물 에서이 현상에 대해 자세히 알아보십시오. 이 붉은 지역은 왜 소금이 물로 도로에 퍼지는지를 설명합니다.
- 5 ° C에서 50% 소금을 갖는 소금 용액에서 우리는 회색 영역에서 NaCl 결정 + 바닷물로 끝납니다. 이것은 짠 물 용액 안에 소금 결정이 있음을 의미합니다. 이것은 용액에서 최대 소금 농도를 초과 할 때 발생합니다. 소금은 더 이상 '적합하지 않고'결정화되지 않습니다.
자당의 위상 다이어그램
설탕이 동결 지점을 낮추는 데 일반적으로 사용되는 이전 포스트에서 아이스크림을 논의 했으므로 자당 및 물의 위상 다이어그램에 대해서도 논의 해 봅시다. 아래에 표시된 단계 다이어그램은 캠브리지 대학 웹 사이트에서 제공됩니다. 이 용어에 익숙한 사람들의 경우 소위 실제 단계 다이어그램입니다.
우리는 여기서 아이스크림을 말하고 있기 때문에 한 지역에 대해서만 논의 할 것입니다. -18 ° C에서 20% 자당으로 설탕 용액을 섭취하십시오. 우리는 '얼음과 액체'영역에 있습니다. 이것은 순수한 얼음 결정과 설탕 용액이 있음을 의미합니다. 이것이 우리의 아이스크림을 많이 먹기 좋은 이유입니다. 많은 얼음 결정과 충분한 액체 설탕 용액이 '부드럽다'.
농도 계산
위상 다이어그램에서 도출 할 수있는 또 하나의 중요한 것은 다른 단계의 농도입니다. 이것은 약간 더 복잡한 자료이므로 예제를 사용하여 설명하고 아래 그래프를 사용합니다.
먼저 -10 ° C에서 100% 물 용액을 가져갑니다 (멀리 왼쪽 빨간색 점선으로 올라갑니다). 물만 있기 때문에이 단계는 얼음 만 존재합니다. 이제 같은 온도에서 55%를 차지하십시오. 당신은 단계 사이의 교차로에 있습니다. 이것은이 시점에서 액체 (=설탕 용액) 만 있음을 의미합니다. 이제이 둘 중 한가운데서 포인트를 보자.
약 -10 ° C에서 20% 설탕으로 설탕 용액을 섭취하십시오. 그래프에서 이것은 연속 빨간색 선이 끝나는 곳입니다. 이 시점부터 두 개의 수평선이 가장 가까운 경계로 끌어들 수 있습니다. 이 라인은 액체와 빙상의 비율을 나타냅니다. 녹색 선은 액체 부분을 나타내고, 청색 선은 얼음 분획입니다. 두 줄 중 어느 것이 잊어 버린 경우 위에서 언급 한 두 가지 예를 사용하십시오.
여기에서 계산은 다음과 같습니다.
- Fraction Ice :길이 파란색 선/총 길이 =(55-20)/55 =0,64
- 분획 액체 :길이 녹색 선/총 길이 =(20-0)/55 =0,36
이걸 확인해 봅시다. 우리는 파란색 선이 얼음이고 녹색 선이 액체라고 말했기 때문에 액체보다 더 많은 얼음이 있어야합니다. 이것이 바로 우리가 계산에서 찾은 것입니다.
이러한 계산의 기초가되는 복잡한 수학이 있지만 원칙을 이해하는 것이 필수적이지 않기 때문에 꽤 빨리 걸기로 결정했습니다.
.위상 다이어그램 만들기
불행히도 위상 다이어그램을 만드는 것은 쉽지 않습니다. 특히 매우 복잡한 솔루션과 관련하여. 예를 들어, 물에 설탕과 소금의 솔루션은 이미 그러한 다이어그램에서 시각화하기에 훨씬 더 복잡합니다. 더 많은 구성 요소가 존재한다면, 예를 들어 단백질은 모두 상호 작용하기 때문에 더욱 복잡해집니다.
다이어그램의 계산은 종종 복잡하며 이러한 세부 사항에 대해 더 깊이 뛰어 들지 않습니다. 그러나 재료가 언제 어떤 위상인지 알면 위상 다이어그램을 그릴 수 있습니다.
이 위상 다이어그램은 다양한 제품과 시나리오에서 작동합니다. 설탕 사탕을 만들 때이 다이어그램은 이해하는 데 필수적이며 아이스크림을 설명하는 데 도움이됩니다. 불행히도, 혼합물이 복잡할수록 정확한 계산을하기가 더 어려워집니다. 그렇기 때문에이 다이어그램을 일대일에 적용하기가 종종 어려운 이유입니다.
참조
케임브리지 대학교, 물고 크로스 시스템, 링크
하버드 대학교, 과학 및 요리 강의 시리즈, 링크; 위상 다이어그램에 대한 원래 링크는 더 이상 활성화되지 않습니다
