이력현상(Hysteresis Phenomenon)

왜 배우는가: 이력현상은 물리학과 화학의 기초 개념이지만, 식품의 건조·저장·포장 설계에서 수분 상태를 해석하는 출발점이 된다. 시험에서는 흡착 곡선과 탈착 곡선의 차이를 묻는 형태로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제131회 1교시 3번, 제114회 1교시 8번, 제111회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이력현상은 어떤 물리량이 그 때의 물리조건만으로 결정되지 않고 그 물질이 거쳐 온 과정에 의존하는 현상이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 영문 원어를 괄호로 병기한다. 이력현상은 히스테리시스(Hysteresis)라고도 불리며, 줄여서 이력이라고 쓴다.

키워드 목록은 다음과 같다.

• 이력현상
• 경로 의존성
• 히스테리시스 곡선
• 이력 루프
• 자기이력
• 탄성이력
• 흡탈착 이력

이 일곱 가지 용어가 답안의 뼈대가 되며, 각 용어는 아래 절에서 원리와 함께 풀이한다. 상위 개념은 경로 의존성이고, 이력현상은 그 대표적인 형태이며, 그 결과를 곡선으로 나타낸 것이 히스테리시스 곡선이라는 순서로 정리하면 된다.

2. 개념 풀이

이력현상의 정식 정의는 어떤 물리량이 그 때의 물리조건만으로 일의적으로 결정되지 않고, 이전에 그 물질이 경과해 온 상태 변화 과정에 의존하는 현상이다. 현재 상태가 현재 조건만으로 정해지지 않는다는 점이 핵심이므로, 이 현상은 과거가 현재에 남긴 흔적으로 이해하는 것이 정확하다.

원리는 상태 변화가 되돌아오는 경로와 되돌아오지 않는 경로로 나뉘는 데 있다. 가역 과정이라면 입력 물리량을 올리는 경로와 내리는 경로가 같은 곡선을 따라 원래 상태로 돌아온다. 그러나 물질 내부 구조가 외부 조건 변화를 즉시 따라가지 못하거나 상태를 고정하는 장벽이 있으면, 증가 경로와 감소 경로가 서로 다른 곡선을 그린다. 두 곡선이 만드는 닫힌 도형을 이력 루프라 하고, 상태 변화와 그 원인이 되는 물리량의 관계를 나타낸 곡선 전체를 히스테리시스 곡선이라 한다. 루프의 면적은 한 번 순환하는 동안 외부와 주고받는 에너지 손실에 대응한다는 해석이 널리 쓰인다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 경로 의존성: 현재 상태가 현재 조건뿐 아니라 상태가 변해 온 경로에 따라 정해지는 성질이다. 이력현상은 경로 의존성이 뚜렷하게 드러나는 대표 형태이므로, 답안에서는 두 용어를 상하 관계로 묶어 쓴다.
• 이력 루프: 증가 과정의 곡선과 감소 과정의 곡선이 만나지 않고 닫힌 도형을 이루는 모양이다. 루프의 폭과 면적이 이력의 크기를 나타내므로, 이력이 큰 물질일수록 루프가 넓게 그려진다.
• 자기이력과 탄성이력: 강자성체의 자화와 탄성체의 변형에서 뚜렷하게 나타나는 이력현상이다. 자기이력은 외부 자기장과 자화의 세기 관계로, 탄성이력은 외력과 변형의 관계로 표현된다.
• 흡탈착 이력: 흡착(수분을 얻는 과정)과 탈착(수분을 잃는 과정)의 곡선이 서로 다르게 그려지는 현상이다. 식품 분야에서 가장 중요하게 다뤄지는 이력의 형태이다.

식품에서의 이력현상은 등온흡습곡선으로 나타난다. 식품이 일정 온도에서 공기와 평형에 도달했을 때의 수분 함량을 연결한 곡선이 등온흡습곡선이며, 흡착 곡선과 탈착 곡선이 갈라지는 구간이 바로 흡탈착 이력이다. 물질은 온도가 높을수록 더 적은 수분을 머금고 온도가 낮을수록 더 많이 머금는 것이 일반적이므로, 등온흡습곡선은 반드시 온도를 명시해서 그려야 한다.

모세관 응축의 관점에서도 이력은 설명된다. 기공의 지름이 흡착 과정과 탈착 과정에서 다르게 작용하므로, 흡착 경로와 탈착 경로가 달라지고 루프가 생긴다. 이 설명은 기공 구조가 균일하지 않은 물질에서 특히 중요하다. 온도가 높아질수록 이력이 작아지는 경향이 보고되어 있으므로, 고온 공정에서는 이력의 영향이 상대적으로 작게 나타난다고 이해하면 된다.

3. 등장 배경과 필요성

이력현상은 강자성체의 자화와 탄성체의 변형에서 뚜렷하게 관찰되어 물리학에서 기본 현상으로 다뤄져 왔다. 이후 같은 원리가 흡착과 수분 흡수 분야로 확장되었고, 그 결과 식품 공학에서도 수분 흡탈착 곡선을 해석하는 기본 틀로 쓰이게 되었다. 이력은 물리학의 한 현상이지만 식품에서는 저장성과 품질을 예측하는 실무 개념이라는 점에서 필요성이 생긴다.

필요성은 식품의 수분 상태가 한 방향으로만 변하지 않는다는 데서 나온다. 식품은 건조 과정에서 수분을 잃고, 저장 중에는 습한 공기와 만나 수분을 얻는다. 같은 식품이라도 건조 경로와 흡습 경로가 다르면 도달하는 평형 수분 함량이 달라진다. 따라서 건조 조건과 포장 설계를 정할 때 흡착 곡선 하나만으로 판단하면 탈착 과정의 수분 상태를 잘못 예측할 수 있고, 이 오차는 미생물 증식이나 화학적 변패의 예측 오류로 이어진다.

수분활성도 측면에서도 필요성은 분명하다. 식품 내 물의 증기압과 같은 온도의 순수한 물의 증기압의 비가 수분활성도(a_w)이다. 식품이 공기와 평형에 있으면 수분활성도는 평형상대습도(ERH)를 100으로 나눈 값과 같다(a_w = rac{ERH}{100}). 이 관계는 평형 상태에서 성립하므로, 이력으로 흡착과 탈착 곡선이 갈라지면 같은 수분 함량이라도 어느 경로를 거쳤는지에 따라 수분활성도가 달라진다.