안녕하세요 학우님! 화공생명공학과 노규민입니다

학우님 이해가 전반적으로 맞는 것 같습니다. 다만 a₂가 0.5 부근에 위치하는 이유는 P₂에서의 액체 조성이 처음 응축된 액체의 조성이 아니라 해당 압력에서 액체상과 기체상이 평형을 이루었을 때의 액체 조성이기 때문이라고 생각합니다.

A가 더 휘발성이 크므로 모든 평형 상태에서 액체 조성(x_A)은 기체 조성(y_A)보다 작게 나타나며(a₂ < a₂′), 실제로 압력이 증가하면서 기체에는 A가 상대적으로 더 많이 남게 됩니다. 하지만 그렇다고 해서 액체상이 대부분 B로만 구성되는 것은 아니며, 평형 상태에서는 A 역시 액체상에 상당량 존재할 수 있습니다.

따라서 a₂가 0.5 근처에 위치하는 것은 이상한 결과가 아니라 P₂에서의 액-기 평형 조성을 나타낸 것으로 이해할 수 있을 것 같습니다.

안녕하세요 화공생명공학과 권두연입니다. 깁스에너지의 변화는 엔트로피 효과와 엔탈피 효과에 모두 영향을 받습니다. 예은님이 말씀하신 극단적인 조성의 상황에서 또한 상이 분리된다면 깁스에너지 감소에 긍정적인 영향을 주는 엔탈피 효과를 얻겠지만 이미 거의 순물질에 가까운 상태이기 때문에 두 물질사이 상호작용이 크지 않고 이에 따라 발생하는 엔탈피 효과 또한 미미할것입니다. 따라서 상이 분리 될경우에 발생하는 엔트로피 손실이 엔탈피 효과를 압도하여 단일상으로 존재하게 됩니다.

안녕하세요 화공생명공학과 맹서현입니다.  첫 번째로 언급하신 대로 공융점은 양쪽 성분에서 시작된 두 개의 액상선, 즉 각각의 어는점 내림 곡선이 교차하는 지점입니다. 이는 두 물질이 서로 용매와 용질로 작용하여 계의 어는점을 최대한으로 낮춘 상태이며, 해당 혼합물 시스템 내에서 단일 액체 상이 안정하게 존재할 수 있는 열역학적 최저 온도 한계점이 맞습니다.

또한 이 지점에서 두 고체가 동시에 석출되는 현상에 대한 해석 역시 훌륭합니다. 이를 깁스의 상률을 적용하여 생각해보면 더욱 명확하게 이해할 수 있습니다. 일정한 압력 조건에서 2성분계 시스템이 액체 상 하나와 서로 다른 고체 상 두 개, 총 3개의 상을 동시에 이룰 때 시스템의 자유도는 0이 됩니다. 즉, 공융점에서는 온도와 조성이 완전히 고정되어 더 이상 임의로 변할 수 없는 상태가 됩니다. 만약 이 상태에서 한쪽 고체만 단독으로 먼저 석출된다면 남은 액체의 조성이 변하게 되는데, 이는 이미 다른 물질에 대해서도 포화 한계에 도달한 상태이므로 즉각적인 과포화 상태를 유발하여 상평형이 깨지게 됩니다. 따라서 계속해서 냉각이 진행되는 상황에서 계가 열역학적 평형과 안정성을 유지하기 위해서는, 액체 상의 조성 비율 그대로 두 고체 상이 동시에 석출되어야만 합니다.

안녕하세요 화공생명공학과 맹서현입니다.  이 일련의 과정들은 고체-액체 상평형 곡선, 더 정확히는 용액의 어는점 내림을 나타내는 액상선(Liquidus line) 위를 따라 이동하며 이루어집니다. 결코 평형과 무관하게 독립적으로 일어나는 현상이 아닙니다.

얼음 표면에 소금이 닿아 아주 미량의 물에 녹아들면 국부적으로 고농도의 소금물이 형성됩니다. 이때 이 소금물의 어는점은 현재 계의 온도보다 훨씬 낮아지게 되므로, 계는 일시적으로 열역학적 상평형을 벗어난 상태가 됩니다. 계는 다시 안정한 평형 상태로 돌아가기 위해 얼음을 물로 녹이는 방향으로 상변화를 진행시킵니다.

질문자님께서 짚어주신 바와 같이 이 과정이 단열 조건에서 일어난다면, 얼음이 녹을 때 필요한 융해열을 외부에서 공급받을 수 없으므로 계 내부의 열을 흡수하게 되고, 그 결과 계 전체의 온도는 지속적으로 하강합니다. 이와 동시에 얼음이 녹아 생성된 물은 기존의 고농도 소금물을 희석시키게 됩니다. 용액의 농도가 묽어짐에 따라 초기보다 어는점 내림 효과가 줄어들게 되어 해당 용액의 어는점은 서서히 상승하는 효과를 낳습니다.

결과적으로 계의 실제 온도는 융해열 흡수로 인해 하강하고, 용액의 어는점은 농도 감소로 인해 상대적으로 상승하면서 결국 이 두 값이 정확히 일치하는 새로운 평형 상태를 향해 나아가게 됩니다. 즉, 미시적으로는 끊임없이 상평형을 맞추기 위한 구동력이 작용하는 것이며, 거시적으로 보았을 때는 계의 온도와 농도 조건이 고체와 액체가 공존하는 상평형 곡선 위를 궤적처럼 밟아가며 변화하는 것입니다. 이 과정은 계의 온도와 해당 농도에서의 어는점이 완전히 같아져 평형 곡선 상의 새로운 점에 도달할 때까지 연속적으로 진행됩니다.