물질의 상태 변화

입자 운동과 물질의 상태 변화

우리 주변의 모든 물질은 매우 작은 입자로 이루어져 있다. 입자는 눈으로 직접 볼 수 없지만 끊임없이 움직이며, 입자의 배열과 운동 방식에 따라 물질의 상태와 성질이 달라진다.

학습 목표

번호	학습 목표
1	확산과 증발을 입자 운동으로 설명할 수 있다.
2	고체·액체·기체의 특징을 입자 배열과 운동으로 비교할 수 있다.
3	여섯 가지 상태 변화를 구분할 수 있다.
4	상태 변화 전후에 질량이 보존되는 이유를 설명할 수 있다.
5	상태 변화 때 열에너지를 흡수하거나 방출하는 이유를 설명할 수 있다.

1. 물질을 구성하는 입자의 운동

물질을 구성하는 입자는 가만히 멈춰 있지 않고 끊임없이 운동한다. 이러한 움직임을 입자 운동이라고 한다.

온도 변화	입자 운동	나타나는 경향
온도가 높아짐	더 활발해짐	확산과 증발이 대체로 빨라짐
온도가 낮아짐	더 둔해짐	확산과 증발이 대체로 느려짐

1.1 퍼져 나가는 현상: 확산

확산은 물질을 구성하는 입자가 스스로 운동하여 한곳에서 다른 곳으로 퍼져 나가는 현상이다.

관찰 사례	입자 관점의 설명
물에 떨어뜨린 잉크가 물 전체로 퍼짐	잉크 입자가 물속에서 계속 움직이며 퍼진다.
향수 냄새가 방 안에 퍼짐	향수 입자가 공기 중에서 운동해 먼 곳까지 이동한다.
마약 탐지견이 냄새로 마약을 찾음	공기 중에 퍼진 냄새 입자를 탐지견이 감지한다.
전기 모기향이 모기를 쫓음	모기향 성분의 입자가 공기 중으로 퍼진다.

처음에는 잉크나 향수 입자가 한곳에 많이 모여 있다. 입자들이 계속 불규칙하게 운동하면서 입자가 많은 곳에서 적은 곳으로 퍼지고, 시간이 지나면 전체 공간에 비교적 고르게 분포한다.

확산 속도에 영향을 주는 요인

요인	확산이 더 빠른 경우	까닭
물질의 상태	기체가 액체보다 빠름	기체 입자는 사이의 거리가 멀고 더 자유롭게 운동한다.
온도	높은 온도	입자 운동이 더 활발하다.
이동 거리	짧은 거리	입자가 퍼져야 하는 거리가 짧다.

1.2 액체 표면에서 일어나는 현상: 증발

증발은 액체 표면의 입자 중 운동이 활발한 입자가 액체를 벗어나 기체로 변하는 현상이다.

액체 속 입자들의 운동 속력은 모두 같지 않다. 표면에 있는 입자 중 충분히 빠르게 운동하는 입자는 주변 입자의 끌어당기는 힘을 이겨 내고 공기 중으로 빠져나갈 수 있다.

관찰 사례	과학적 설명
거름종이의 아세톤이 사라짐	아세톤이 증발하여 기체 입자로 공기 중에 퍼진다.
젖은 빨래가 마름	빨래의 물이 증발한다.
오징어나 고추가 마름	식품 속 물이 증발한다.
손등의 알코올이 마르며 시원해짐	알코올이 증발할 때 피부에서 열에너지를 흡수한다.

증발이 빨라지는 조건

조건	증발이 빨라지는 까닭
온도가 높을 때	입자 운동이 활발해져 표면을 벗어나는 입자가 많아진다.
액체의 표면적이 넓을 때	공기와 만나는 액체 입자의 수가 많아진다.
바람이 잘 불 때	표면 근처의 수증기가 이동해 새로운 입자가 계속 빠져나갈 수 있다.
공기가 건조할 때	공기가 수증기를 더 많이 받아들일 수 있다.

증발과 끓음 비교

구분	증발	끓음
일어나는 곳	액체 표면	액체 표면과 내부 전체
일어나는 온도	모든 온도에서 가능	일정한 압력에서 끓는점에 도달할 때
기포	액체 내부에서 생기지 않음	액체 내부에서 생김
공통점	액체가 기체로 변하는 기화	액체가 기체로 변하는 기화

2. 물질의 세 가지 상태

물질은 주로 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다. 상태마다 성질이 다른 이유는 입자 사이의 거리, 배열의 규칙성, 입자가 움직이는 방식이 다르기 때문이다.

눈에 보이지 않는 입자의 배열과 운동을 구슬이나 점처럼 단순화하여 나타낸 것을 입자 모형이라고 한다.

2.1 세 가지 상태 비교

구분	고체	액체	기체
입자 사이 거리	매우 가까움	비교적 가까움	매우 멂
입자 배열	대체로 규칙적	불규칙적	매우 불규칙적
입자 운동	정해진 위치에서 진동	서로의 자리를 바꾸며 이동	공간 전체를 빠르고 자유롭게 이동
모양	일정함	그릇에 따라 변함	그릇 전체로 퍼짐
부피	일정함	거의 일정함	일정하지 않음
압축	거의 되지 않음	거의 되지 않음	비교적 잘됨
대표 예	얼음, 철, 소금	물, 식용유, 알코올	공기, 수증기, 산소

2.2 상태별 특징

상태	자세한 설명
고체	입자가 매우 가까이 모여 대체로 규칙적으로 배열된다. 입자가 완전히 멈춘 것은 아니며 정해진 위치를 중심으로 계속 진동한다. 입자들이 자리를 쉽게 바꾸지 못하므로 모양과 부피가 일정하다.
액체	입자가 서로 가까이 있지만 불규칙하게 배열된다. 서로의 자리를 바꾸며 이동할 수 있어 흐르고 그릇에 따라 모양이 변한다. 입자 사이 거리가 비교적 가까워 부피는 거의 일정하다.
기체	입자가 서로 멀리 떨어져 빠르고 자유롭게 운동한다. 용기 전체로 퍼져 모양과 부피가 일정하지 않다. 입자 사이에 빈 공간이 많아 압력을 가하면 부피가 쉽게 줄어든다.

3. 물질의 상태 변화

상태 변화는 물질의 종류는 그대로인 채 고체·액체·기체 중 한 상태에서 다른 상태로 변하는 현상이다.

3.1 여섯 가지 상태 변화

변화	방향	열에너지 출입	예시
융해	고체 → 액체	흡수	얼음이 녹아 물이 됨
응고	액체 → 고체	방출	물이 얼어 얼음이 됨
기화	액체 → 기체	흡수	물이 증발하거나 끓어 수증기가 됨
액화	기체 → 액체	방출	수증기가 물방울로 맺힘
승화	고체 → 기체	흡수	드라이아이스가 기체 이산화 탄소로 변함
승화	기체 → 고체	방출	공기 중 수증기가 서리가 됨

승화는 고체와 기체 사이에서 액체 상태를 거치지 않고 직접 변하는 현상이다. 양방향 변화 모두 승화라고 부른다.

3.2 서로 반대되는 상태 변화

열에너지 흡수	서로 반대	열에너지 방출
융해: 고체 → 액체	↔	응고: 액체 → 고체
기화: 액체 → 기체	↔	액화: 기체 → 액체
승화: 고체 → 기체	↔	승화: 기체 → 고체

3.3 융해와 용해 구별하기

구분	융해	용해
뜻	한 물질의 상태가 고체에서 액체로 변함	용질이 용매 속에 고르게 섞여 용액을 만듦
물질의 수	한 물질의 상태 변화	두 종류 이상의 물질이 섞임
예	얼음, 초콜릿, 철이 녹음	설탕이나 소금이 물에 녹음

얼음이 녹아 물이 되는 것은 융해이고, 소금이 물에 녹아 소금물이 되는 것은 용해다.

4. 상태 변화와 입자 배열

4.1 상태 변화 전후 비교

구분	상태 변화 때 변하는가?	설명
입자의 종류	변하지 않음	같은 물질이므로 입자의 종류가 같다.
입자의 수	변하지 않음	입자가 새로 생기거나 사라지지 않는다.
물질의 고유한 성질	변하지 않음	상태만 변할 뿐 다른 물질이 되지 않는다.
전체 질량	변하지 않음	물질이 밖으로 나가지 않는 밀폐된 계에서 보존된다.
입자 배열	변함	상태에 따라 규칙성이 달라진다.
입자 사이 거리	변함	상태에 따라 가까워지거나 멀어진다.
입자 운동	변함	열에너지 출입에 따라 활발하거나 둔해진다.
부피	변할 수 있음	입자 사이 거리가 달라지기 때문이다.

4.2 입자 배열 변화 비교

변화의 방향	해당 상태 변화	입자 운동	배열	입자 사이 거리	일반적인 부피 변화
고체 쪽에서 기체 쪽으로	융해, 기화, 고체→기체 승화	활발해짐	더 불규칙해짐	멀어짐	증가
기체 쪽에서 고체 쪽으로	액화, 응고, 기체→고체 승화	둔해짐	더 규칙적으로 변함	가까워짐	감소

5. 상태 변화와 열에너지

물질의 상태가 변하려면 입자 사이의 인력을 이겨 내거나 입자들이 더 가까워져야 한다. 이 과정에서 물질은 주변과 열에너지를 주고받는다.

5.1 열에너지 출입 한눈에 보기

구분	상태 변화	입자의 변화	주변에서 느낄 수 있는 현상
열에너지 흡수	융해, 기화, 고체→기체 승화	운동이 활발해지고 사이가 멀어짐	주변이 시원해질 수 있음
열에너지 방출	응고, 액화, 기체→고체 승화	운동이 둔해지고 사이가 가까워짐	주변이 따뜻해질 수 있음

5.2 물질을 냉각할 때의 온도 변화

물질을 냉각하면 입자가 열에너지를 잃어 운동이 점차 둔해지고, 일반적으로 입자 사이의 거리가 가까워진다.

액체 냉각 곡선 해석

구간	존재하는 상태	열에너지 출입	온도 변화	입자 수준의 설명
응고 전	액체	방출	낮아짐	입자 운동이 점차 둔해진다.
응고 중	액체 + 고체	응고열 방출	일정함	입자 배열이 규칙적으로 변한다.
응고 후	고체	방출	다시 낮아짐	고체 입자의 진동이 점차 약해진다.

5.3 물질을 가열할 때의 온도 변화

물질을 가열하면 입자가 열에너지를 얻어 운동이 점차 활발해지고, 일반적으로 입자 사이의 거리가 멀어진다.

액체 가열 곡선 해석

구간	존재하는 상태	열에너지 출입	온도 변화	입자 수준의 설명
끓기 전	액체	흡수	높아짐	입자 운동이 점차 활발해진다.
끓는 중	액체 + 기체	기화열 흡수	일정함	입자 사이 인력을 이겨 내며 기체로 변한다.
기화 후	기체	흡수	다시 높아짐	기체 입자의 운동이 더 활발해진다.

5.4 상태 변화 중 온도가 일정한 까닭

가열한다고 언제나 온도가 올라가는 것은 아니다. 상태 변화 중 흡수한 열에너지는 입자의 운동을 더 빠르게 하기보다 입자 사이의 인력을 이겨 내고 배열을 바꾸는 데 사용된다.

반대로 냉각 중 상태 변화가 일어날 때는 입자 배열이 바뀌면서 열에너지를 방출하므로 온도가 일정하게 유지된다.

상태를 변화시키는 데 출입하지만 온도 변화에는 직접 나타나지 않는 열에너지를 잠열이라고 한다.

잠열의 종류	상태 변화	에너지 출입
융해열	고체 → 액체	흡수
응고열	액체 → 고체	방출
기화열	액체 → 기체	흡수
액화열	기체 → 액체	방출
승화열	고체 ↔ 기체	방향에 따라 흡수 또는 방출

6. 실생활에서의 이용

사례	상태 변화	열에너지 출입	원리
액체 파라핀 온열 치료	응고	방출	피부에서 파라핀이 굳으며 응고열을 방출해 손을 따뜻하게 한다.
에어컨 실내기	기화	흡수	액체 냉매가 기화하며 실내의 열에너지를 흡수한다.
에어컨 실외기	액화	방출	기체 냉매가 액화하며 열에너지를 실외로 방출한다.
땀이 마를 때	기화	흡수	땀이 피부의 열에너지를 흡수해 몸을 시원하게 한다.
과수원에 물 뿌리기	응고	방출	물이 얼며 응고열을 방출해 식물의 급격한 온도 하강을 줄인다.
아이스박스의 드라이아이스	승화	흡수	고체 이산화 탄소가 기체로 승화하며 주변 열에너지를 흡수한다.

에어컨의 원리 자세히 보기

에어컨이 차가운 에너지를 새로 만드는 것은 아니다. 냉매의 상태 변화를 이용해 실내의 열에너지를 실외로 이동시킨다.

위치	냉매 변화	결과
실내기	액체 냉매가 기화	실내 열에너지를 흡수하여 실내가 시원해짐
실외기	기체 냉매가 액화	흡수한 열에너지를 실외로 방출

냉난방 에어컨은 냉매가 흐르는 방향을 바꾸어 실내기와 실외기의 역할을 서로 바꿀 수 있다. 난방할 때는 실외에서 열에너지를 흡수해 실내로 방출한다.

7. 핵심 개념 정리

핵심어	반드시 기억할 내용
입자 운동	물질의 입자는 끊임없이 운동하며 온도가 높을수록 대체로 더 활발하게 운동한다.
확산	입자의 자발적인 운동으로 물질이 퍼지는 현상이다.
증발	액체 표면의 입자가 기체로 변하는 현상이며 모든 온도에서 일어날 수 있다.
세 가지 상태	입자의 거리, 배열, 운동 방식으로 고체·액체·기체의 성질을 설명할 수 있다.
질량 보존	상태 변화 중 입자의 종류와 수는 변하지 않으며 밀폐된 계에서 전체 질량이 보존된다.
열에너지 흡수	융해, 기화, 고체→기체 승화
열에너지 방출	응고, 액화, 기체→고체 승화
잠열	상태 변화에 사용되어 온도 변화로 직접 나타나지 않는 열에너지다.

8. 스스로 확인하기

물이 끓는 동안 계속 열에너지를 흡수하는데도 온도가 일정한 까닭은 무엇일까?

정답 확인

흡수한 열에너지가 입자의 운동을 빠르게 하는 대신 입자 사이의 인력을 이겨 내고 배열을 바꾸는 데 사용되기 때문이다.

빈칸으로 핵심 개념 확인하기

물질이 액체에서 기체로 변하는 상태 변화는 이고, 기체에서 액체로 변하는 상태 변화는 이다.

상태 변화가 일어나는 동안 순수한 물질의 온도가 일정한 까닭은 무엇일까?

출입하는 열에너지가 입자의 운동 속도를 바꾸는 대신 입자 사이의 인력과 배열을 바꾸는 데 사용되기 때문이다.