1. 실제 금속의 내부 구조 (응고)
우리들의 주위에 있는 금속 제품들은 모두 고체로 되어 있습니다. 이 고체 금속들은 적어도 한 번 이상은 액체 금속이 응고하여 생긴 것들입니다. 그러므로 금속의 최초의 내부구조는 응고할 때 생긴 것이며, 이 구조가 금속의 여러 성질들에 영향을 미치게 됩니다.
그렇다면 금속의 최초의 내부 구조는 어떻게 생겼을까요?
그리고 왜 그렇게 생겼을까요?
다음과 같은 순서로 실제금속의 내부 구조를 조사하여 보도록 하겠습니다.
(1) 물이 웅고하는 과정(일반적인 웅고 현상)
(2) 금속이 웅고하는 과정
(3) 웅고 조직과 불순물의 영향
이 중에서 오늘은 물이 응고하는 과정을 살펴보도록 하겠습니다
(1) 물이 응고하는 과정
-일반적인 응고 과정 -
금속이나 돌과 같은 고체는 딱딱하여 외부에서 힘을 가하여도 형태를 그대로 유지하지만, 액체는 조금만 힘을가해도 모양을 유지하지 못하고 쉽게 변하게 됩니다. 이와 같은차이는 왜 생기는 것 일까요?
그것은 고체와 액체의 원자 구조가 다르기 때문입니다. 고체의 원자들은 결정을 이루면서 규칙적으로 배열되어 있습니다. 그러므로 외부에서 힘을 가해도 일정한 모양을 계속 유지할 수 있습니다.
그러나 액체의 원자들은 불규칙하게 배열되어 있을뿐만 아니라 원자들이 붙잡고 있는 힘도 약합니다. 그러므로 매우 약한 힘을 가해도 모양이 쉽게 변하게 됩니다.
(1) 물의 응고.
우리들은 액체 금속이 고체로 응고하는 현상을 직접 보기 어려우므로금속의 응고 현상을 쉽게 이해할 수 없습니다. 그러나 겨울에 물이 얼어서 얼음이 되거나, 창문에 성에가 생기는 현상， 또는 눈（雪）의 모양은 누구든지 다 알고 있습니다.
액체 금속이 응고하는 현상을 쉽게 이해하기 위하여 먼저 물이 얼어서 얼음이 되는 현상부터 생각해 보도록 하겠습니다.
순수한 물을 냉장고에 넣고 매우 천천히 냉각하여 보겠습니다. 물이 냉각되어 얼음이 되는 동안 일정한 시간마다 온도를 측정하여 그래프 용지에 기록하면 곡선이 됩니다.
이 곡선을 보면 물이 얼음으로 변할 때 온도가 연속적으로 내려가지 않고 0℃에서 오랜 시간 동안 멈추었다가 다시 온도가 내려간다는 사실을 알 수 있습니다. 이와같이 이상한 현상이 일어나는 이유를 알기 위하여 이 곡선을 3부분으로 나누어서 각 부분에서 일어나는 현상을 조사하여 보도록 하겠습니다.
1. 10℃의 물을 냉각하는 경우
쉽게 이해하기 위하여 10℃의 물을 냉각하는 경우를 생각해 보겠습니다. 10℃의 물을 천천히 냉각하면 시간이 지남에 온도가 천천히 내려가게 됩니다. 이 과정에서 물속에서는 어떤 변화가 일어나고 있을까요?
어떤 물질 속에 열이 들어가면(가열) 뜨거워지고, 열이 나가면(냉각) 차가워집니다. 즉 물질 속에 열에너지가 증가하면 뜨거워지고, 감소하면 차가워지게 되는 것입니다.이 열 에너지는 물질 속의 어디에 저장되는 것일까요?
열 에너지는 그 물질을 구성하고 있는 원자의 진동 에너지로 저장됩니다. 가열하면 원자의 진동 에너지가 증가하게 되고 반대로 냉각하면 원자의 진동 에너지가 감소하게 됩니다,
예를 들어 10℃의 물 분자가 진동하고 있다고 생각해 보겠습니다. 이 물을 냉각하여 0℃의 물로 변하는 현상은 물 분자의 진동 에너지가 주위로 점점방출（放出）되게 되는 것입니다.
2. 물이 모두 얼어서 얼음으로 변하는 과정
(b)점을 0℃의 물 이라고 생각해 보겠습니다. 이상태의 물이 모두 얼어서 0℃의 얼음(c)으로 변하는 과정(b→c)을 조사하여 보겠습니다.
먼저 0℃의 물(b점)에서부터 시작해 보겠습니다.
0℃의 물은 아직까지 많은 열 에너지를 가지고 심하게 진동하고 있습니다. 그러므로 물 분자들이 서로 결합하여 일정한 형태를 유지하지 못하고 액체 상태(0℃의 물)로 불규칙하게 진동하고 있는 것입니다.
다시 말하면 (b)점은 물 분자(H2O)들이 진동하는힘이 너무 강하기때문에 서로 결합하여 결정을 이루지못하고 불규칙하게 움직이고 있는 상태입니다.
이 0℃의 물에서 열 에너지를 계속 제거하면, 즉 냉각하면 어떤 물 분자는 에너지가 감소하여 둔하게 행동하는 분자가 생기게 됩니다. 이런 분자를 얼음 분자라고 부르도록 하겠습니다.
얼음 분자들은 물 분자에 비하여 심하게 움직이지않기 때문에 얼음 분자들끼리 서로 결합하게 됩니다. 그러나 결합한 얼음 분자들은 강하게 결합되지 못하여 매우 불안정한 상태에 있습니다. 만약 주위에 있는 물 분자와 충돌하면 분해하거나 다시 물 분자로 변하기도 합니다. 이와 같이 불안정하고 약하게 결합된 얼음 분자들 을싹（胚， embryo）이라고 합니다.
지금 냉장고 속에서 물 분자들은 열 에너지를 계속 방출하고 있으므로, 얼음 분자로 변하는 물 분자의 수가 계속 증가하게 됩니다. 불안정한 싹（胚， embryo）중에 어떤것은 주위에 있는얼음 분자와 결합하여 크기가 점점 더 커지게 됩니다. 그 결과 다시는 분해되지 않을 정도의 크기를 갖는 안정한 상태,즉 핵（核， nucleus）이 생기게 되는 것입니다.
이 핵（核， nucleus）은 주위의 얼음 분자들과 결합하여 시간이 지남에 따라 얼음덩어리(결정)로 성장하게 됩니다. 마침내 0℃의 물 전체가 0℃의 얼음으로 변하여 가며, (c)점에 도달하게 되는 것입니다.다.
지금까지 설명한 것처럼 0℃의 물은 온도가 변하지 않은 상태에서 주위에 열을 계속 방출하면서 0℃의 얼음으로 변하였습니다. 만약 열 에너지를 방출하지 않으면 0℃의 물이 0℃의 얼음으로 변할 수 없다는 사실을 알수 있을 것입니다.
이와 같이 0℃의 물이 0℃의 얼음으로 변할 때 외부로 방출하는 열 에너지를 응고열（凝固熱）이라고 합니다. 물론 0℃의 얼음이 0℃의 물로 변할 때에도 동일한양의 열(융해열)을 흡수해야 합니다.
물의 경우 응고열(융해열)은 80 kal/kg입니다.
즉 0℃의 물 1kg이 80kal 의 열을 방출하여야 0℃의 얼음이 된다는 뜻입니다.