1. 물의 응고과정 - 실제로는 과냉 현상이 일어난다
실제는 과냉（過冷） 현상이 일어난다
지난 포스팅에서의 물의 응고 과정은 극도（極度）로 천천히 냉각하였을 때 일어나는 현상입니다. 여기서 극도로 천천히 냉각한다는 말은 1℃를 냉각할 때도 무한（無限） 단계로 아주 조금씩 냉각한다는 뜻 입니다.
이렇게 냉각하는 것은 이론적으로는 가능하지만 실제는 불가능합니다. 실제는 이 방법보다 빨리 냉각할 수밖에 없습니다. 이런 경우 어떤 현상이 일어날까요?
다시 물을 예로 들어 설명하여 보도록 하겠습니다.
극도로 천천히 냉각하면 물이 0℃에서 얼음으로 변하면서 열분석 곡선의 일부분이 수평선으로 변하게 됩니다. 그러나 물을 실제로 빨리 냉각하면 0℃에서 얼음이 생기기 시작하는 것이 아니라, 0℃ 이하의 낮은 온도에서도 얼음으로 되지 않고 계속 물로 존재하고 있습니다.
다시 말하면 0℃에서 얼음이 생기기 시작하는 것이 아니라, 예를 들어 -3℃에서도 계속 물로 존재 한다는 것입니다.
이와 같이 0℃ 이하에서 존재하는 물(예: -3℃의 물)은' 너무 지나치게 냉각된 상태'에 있다고말할 수있습니다. 이런 현상을 과냉（過冷，super cooling）이라고하고， 웅고 온도와 과냉 온도의 차이를 과냉도（過冷度）라고 합니다.
-3℃의 경우 과냉도는3이다.
물은 0℃에서 얼음으로 변하는 것이 정상이므로 과냉된 물(예:-3℃의 물)은 매우 불안정합니다. 그러므로 빨리 안정한 상태로 변하려고 많은 핵（核）을 동시에 발생하면서 급속히 얼음으로 변하기 시작합니다. 이때 많은 열이 방출되기 때문에 열분석 곡선은 상승하고,그 후에는 다시 수평선으로 됩니다.
실제로 물을 냉각할 경우, 이러한 과냉 현상은 흔하게 일어나게 됩니다.
2. 빨리 냉각할수록 과냉도가 커진다
더욱 빨리 냉각하면, 즉 냉각 속도가 빠르면 과냉도는 어떻게 될까요?
먼저'냉각속도' 와' 과냉도' 의부분만 생각해 보겠습니다. '냉각 속도' 에는 3 종류의 냉각 속도로 냉각하였을 때 나타나는 열분석 곡선이 있고, '과냉도'에는 각각의 냉각속도로 냉각하였을 때의 과냉도를 나타낸다고 볼 수 있습니다.
물을 빨리 냉각할수록 0℃ 이하에서 존재하는 물(과냉된 물)의 온도가 낮아진다는 말입니다. 그러므로 냉각 속도가 빨라짐에 따라 과냉도가 커진다는 사실을 알 수 있습니다.
3. 과냉도가 클수록 많은 핵이 발생한다
이번에는 과냉도와 핵 생성수의 관계를 생각해 보도록 하겠습니다.
-5℃ 물은 -3℃ 물보다 심하게 과냉되었으므로(과냉도가 크므로) 그만큼 불안정합니다. 그러므로 빨리 얼음으로 변하여 정상적으로 안정된 상태에 있으려고 합니다.
이와 같은 이유 때문에 심하게 과냉된 물일수록 많은 핵이 동시에 발생하여 급속히 얼음으로 변하게 됩니다. 예를 들면 -5℃ 물은 -3℃ 물보다 심하게 과냉되었으므로, -5℃물은 -3℃보다 많은 핵을 발생하면서 얼음으로변하기 시작합니다.
따라서 '과냉도'가 클수록 '핵 생성수' 가 증가하게 됩니다. 즉 물을 빨리 냉각할수록 과냉도가 커지므로, 심하게 과냉된 물일수록 많은 핵이 발생하여 얼음으로 변한다는 사실을 알 수 있습니다.
4. 응고할 때 핵의 수가 많고 적음이 왜 중요할까?
간단한 예를 들어보겠습니다. 과냉도가 5°(예:-5℃의 물)인 경우라고 생각해 봅시다.
이 경우 -3℃의 물보다 -5℃의 물이 더 불안정하므로, 더 많은 핵을 발생하면서 빨리 얼음으로 변하려고할 것입니다.그러므로 -3℃의 물(과냉도 3°)은 3개의 핵이 발생하고, -5℃의 물(과냉도 5°)에는 6개의 핵이 생겼다고 가정해 봅시다.
시간이 지남에 따라 핵에 얼음 분자들이 결합하여 핵이 점점 크게 됩니다. 핵이 커지며 점점 웅고하여 0℃의 물이 모두 0℃의 얼음으로 변하였습니다. 3개의 핵에서 웅고하기 시작한 경우는 3개의 얼음조각(결정립)으로 되었고, 같은 방법으로6개의 핵에서 웅고하기 시작한 경우는 6개의 얼음 조각(결정립)으로 되었습니다.
여기서 중요한 점은 동일한 면적에서 결정립의 수가 많을수록 하나하나의결정립 크기가 작아진다는 사실입니다. 결정립의 수가 많은 것의 결정립 크기가 작습니다. 즉, 핵이 많이 발생할수록 결정립의 수가 많아지며, 결정립의 수가 많아질수록 결정립의 크기가 작아진다는 점입니다.
실제로 액체(예:물)를 냉각할 때
빨리 냉각할수록 과냉도가 커진다
→ 과냉도가 커질수록 많은 핵이 발생한다
→핵이 많이 생길수록 결정립의 크기가 작아진다.
그러므로 액체(예:물)를 빨리 냉각할수록, 즉 냉각속도가 클수록고체의 결정립 크기가 작아지게 됩니다. 다시 말하면 빨리 냉각(웅고)하면 작은 결정립이생기고, 천천히냉각하면 큰결정립이 생긴 다는사실을 알 수 있습니다.
금속에서 이처럼 결정립의 크기가 금속의 성질에 큰 영향을 미치게 됩니다. 그러므로 결정립의 크기를 조정하는 것은 금속의 성질을 변하게 하는 중요한 방법입니다.