1. 열역학과 열화학

1) 열역학(thermodynamics) : Joule이 이름 지은 학문으로, 과 역학적  그리고 에너지 사이의 전환을 연구하는 학문이다. 열역학에서는 주로 물질의 온도, 압력, 부피 등 측정하여 그들 사이의 관계를 밝히는 상태방정식을 연구하고, 열, 일, 에너지, 엔트로피 등을 계산한다. 

2) 열화학(thermochemistry) : 열역학의 한 분야로서 화학 반응에 의해 흡수되거나 방출되는 열의 양에 대한 연구 분야. 화학에서는 상태변화, 반응열, 화학평형과 밀접한 관련이 있으며, 주위에서 일어나는 변화에 계가 어떻게 대응하는지 즉, 주어진 조건에서 가장 에너지가 낮은 안정한 상태는 무엇이며, 자발적인 변화의 방향은 어느 쪽인가를 알아내려고 한다. 

3) 반응 속도론(kinetics) : 변화의 메커니즘(경로)과 속도를 다루는 학문 영역이다.

    (예)  C(다이아몬드) → C(흑연) + 2kJ/mol

   다이아몬드보다 흑연이 더 열역학적으로 안정하므로 다이아몬드는 흑연으로 변한다.

   하지만 1기압, 상온에서 다이아몬드가 흑연으로 변하는데 수백만 년 걸린다.

 

열역학(thermodynamics)

열화학(thermochemistry)

연구 대상

열, 일, 에너지

주로 열을 일로 전환하는 과정

(열기관)

열, 일, 에너지

물질의 에너지와 열의 상호전환

(반응열)

계를 바라보는

관점

물체(object)

물질(substance)

관심을 가지는

내부 에너지의 종류

열에너지 (thermal energy)

-온도와 상변화

열에너지 + 화학에너지

-온도와 상변화 + 화학결합의 변화

공통점

계와 주위의 열교환에 초점을 둔다.

  





2. 열역학 4가지 법칙

● 0법칙: 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium )에 관한 법칙. 두 개의 계가 각각 제 3의 계와 열역학적 평형을 이루고 있다면 두 계도 열역학적 평형 상태에 있다. 열역학적 평형은 열적 평형(열교환과 온도와 관계)과 역학적 평형(일교환과 압력 같은 일반화된 힘과 관계)과 화학적 평형(물질교환과 화학퍼텐셜과 관계)을 포함한다. 따라서 역학적 변화와 화학적 변화가 없는 접촉하는 두 계는 온도가 같을 때까지 고온에서 저온으로 열이 이동한다.

● 1법칙: 에너지 보존(conservation of energy)에 관한 법칙. 밀폐된 계의 내부 에너지 변화는 열 또는 일로 주위와 교환된다. 즉 에너지는 여러 가지 형태로 전환되지만 우주의 에너지의 총량은 늘어나지도 줄어들지도 않는다.


● 2법칙: 엔트로피(entropy)에 관한 법칙. 우주는 시간이 흐름에 따라 항상 엔트로피가 증가한다. 제 2법칙은 에너지의 에 대한 문제로, 우주의 에너지 양 그 자체는 보존되지만 쓸 수 있는 질 높은 에너지는 엔트로피를 증가시키기 위해 점점 질 낮은 에너지로 전환되기 때문에 질 높은 에너지를 절약해야 한다. 그러므로 열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 자발적으로 이동할 수 없고, 일을 하며 우주의 엔트로피를 증가시켜야 이동할 수 있다.

● 3법칙: 절대온도 0K(absolute zero of temperature )에 관한 법칙: 온도가 절대 온도 0K에 접근할수록 모든 과정은 멈추고 계의 엔트로피는 최소가 된다. 그러므로 열역학 2법칙에 의해 유한한 단계를 거쳐서는 절대 온도 0K에 절대로 도달할 수 없다.


3. 열역학적 계와 상태

1) 계의 상태

① 계(system) : 우리에게 관심이 되는 우주의 특정 부분

② 주위(surroundings) : 계 밖의 나머지 우주

③ 전체 우주 = 계 + 주위


2) 계의 종류 : 계와 주위를 분리하는 경계의 종류에 의해 구별


① 열린 계 : 물질과 에너지를 주위와 교환할 수 있는 계. 열린계는 주위와 열평형을 이루지 못하므로 열화학에서는 다루지 않는다. (예: 기체 관여 반응에서 사용하는 비커)

② 닫힌 계(밀폐된 계) : 에너지 출입은 허용되나 물질의 출입은 허용되지 않는 계. 주위와 열평형을 이룰 때까지 열과 일로 에너지를 교환한다. (예: 마개를 가진 용기)

● 단열계(adiabatic system) : 열의 흐름을 차단하는 경계에 의하여 주위와 열을 교환하지 않고 만 교환한다. (단열재로 싼 피스톤이 움직이는 실린더)

● 일정한 부피계 (isochoric system): 계의 경계가 고정되어 부피의 변화가 없으므로 주위와 일을 교환하지 않고 만 교환한다. (봄베 열량계의 봄)

③ 고립 계 : 에너지와 물질 모두 출입이 허용되지 않는 계 (예: 봄열량계, 보온병, 우주)


3) 계의 상태 (state of system)와 에너지

① 열역학적 상태(thermodynamic state) : 계의 열역학적 성질을 나타내는 상태 변수 P, T, V, S, n, 성분들에 의해 규정되는 일정한 내부 에너지를 가진 조건

② 표준상태 : 온도는 298K(25℃), 반응에 참여하는 기체의 분압은 0.1MPa(1기압), 수용액의 농도는 1M

③ 에너지: 일을 할 수 있는 능력. J은 kg·m2/s2이다.

④ 열역학에서 에너지를 표현하는 열역학 퍼텐셜에는 크게 4종류가 있다. 이 중에서 내부 에너지, 엔탈피, 깁스 자유에너지가 화학에서 주로 이용된다.



열역학 퍼텐셜

의미

내부 에너지

U ≡ H − PV = A + TS

일정한 온도와 압력에서 계를 구성하는 입자들의 운동 에너지와 위치 에너지의 합

헬름홀츠 자유 에너지

A ≡ U − TS

   = G − PV

일정한 온도와 압력에서 밀폐된 계로부터 얻을 수 있는 유용한 일

깁스 자유 에너지

G ≡ A + PV = H − TS

일정한 온도와 압력에서 계로부터 얻을 수 있는 비역학적인 일과 자발성

엔탈피

H ≡ G + TS = U + PV

일정한 압력에서 계에 출입하는 열에너지


4) 상태함수(state function)와 경로함수(path function)

① 상태 함수 : 계의 현재 상태에만 의존하고 온도나 압력과 같은 변수에 의해 결정되고 현재의 상태에 도달한 과정과는 무관한 계의 성질. 상태함수의 변화는 오직 초기 상태와 최종 상태에 의해 결정된다.

  예) 부피, 온도 및 압력, 에너지, 엔탈피, 엔트로피, 깁스 자유 에너지 등  

변화량 = 나중값 - 처음값

② 경로함수: 변화가 일어나는 중간 과정에 따라 결과가 다르게 나타나는 물리량. 과정에는 가역과정과 비가역과정이 있다.

   예) 일, 열


5) 크기 성질과 세기 성질

① 크기(extensive) 성질: 전체 값이 부분의 합으로 나타나는 성질로써 물질의 양에 의존한다.

    예) 에너지, 질량, 부피, 엔탈피 등

② 세기(intensive) 성질: 전체 값과 각 부분 값이 같은 크기로 나타나는 성질로써 물질의 양에 무관하다.

    예) 온도, 압력, 밀도 등

1. 열역학과 열화학

1) 열역학(thermodynamics) : Joule이 이름 지은 학문으로, 과 역학적  그리고 에너지 사이의 전환을 연구하는 학문이다. 열역학에서는 주로 물질의 온도, 압력, 부피 등 측정하여 그들 사이의 관계를 밝히는 상태방정식을 연구하고, 열, 일, 에너지, 엔트로피 등을 계산한다. 

2) 열화학(thermochemistry) : 열역학의 한 분야로서 화학 반응에 의해 흡수되거나 방출되는 열의 양에 대한 연구 분야. 화학에서는 상태변화, 반응열, 화학평형과 밀접한 관련이 있으며, 주위에서 일어나는 변화에 계가 어떻게 대응하는지 즉, 주어진 조건에서 가장 에너지가 낮은 안정한 상태는 무엇이며, 자발적인 변화의 방향은 어느 쪽인가를 알아내려고 한다. 

3) 반응 속도론(kinetics) : 변화의 메커니즘(경로)과 속도를 다루는 학문 영역이다.

    (예)  C(다이아몬드) → C(흑연) + 2kJ/mol

   다이아몬드보다 흑연이 더 열역학적으로 안정하므로 다이아몬드는 흑연으로 변한다.

   하지만 1기압, 상온에서 다이아몬드가 흑연으로 변하는데 수백만 년 걸린다.

 

열역학(thermodynamics)

열화학(thermochemistry)

연구 대상

열, 일, 에너지

주로 열을 일로 전환하는 과정

(열기관)

열, 일, 에너지

물질의 에너지와 열의 상호전환

(반응열)

계를 바라보는

관점

물체(object)

물질(substance)

관심을 가지는

내부 에너지의 종류

열에너지 (thermal energy)

-온도와 상변화

열에너지 + 화학에너지

-온도와 상변화 + 화학결합의 변화

공통점

계와 주위의 열교환에 초점을 둔다.

  





2. 열역학 4가지 법칙

● 0법칙: 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium )에 관한 법칙. 두 개의 계가 각각 제 3의 계와 열역학적 평형을 이루고 있다면 두 계도 열역학적 평형 상태에 있다. 열역학적 평형은 열적 평형(열교환과 온도와 관계)과 역학적 평형(일교환과 압력 같은 일반화된 힘과 관계)과 화학적 평형(물질교환과 화학퍼텐셜과 관계)을 포함한다. 따라서 역학적 변화와 화학적 변화가 없는 접촉하는 두 계는 온도가 같을 때까지 고온에서 저온으로 열이 이동한다.

● 1법칙: 에너지 보존(conservation of energy)에 관한 법칙. 밀폐된 계의 내부 에너지 변화는 열 또는 일로 주위와 교환된다. 즉 에너지는 여러 가지 형태로 전환되지만 우주의 에너지의 총량은 늘어나지도 줄어들지도 않는다.


● 2법칙: 엔트로피(entropy)에 관한 법칙. 우주는 시간이 흐름에 따라 항상 엔트로피가 증가한다. 제 2법칙은 에너지의 에 대한 문제로, 우주의 에너지 양 그 자체는 보존되지만 쓸 수 있는 질 높은 에너지는 엔트로피를 증가시키기 위해 점점 질 낮은 에너지로 전환되기 때문에 질 높은 에너지를 절약해야 한다. 그러므로 열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 자발적으로 이동할 수 없고, 일을 하며 우주의 엔트로피를 증가시켜야 이동할 수 있다.

● 3법칙: 절대온도 0K(absolute zero of temperature )에 관한 법칙: 온도가 절대 온도 0K에 접근할수록 모든 과정은 멈추고 계의 엔트로피는 최소가 된다. 그러므로 열역학 2법칙에 의해 유한한 단계를 거쳐서는 절대 온도 0K에 절대로 도달할 수 없다.


3. 열역학적 계와 상태

1) 계의 상태

① 계(system) : 우리에게 관심이 되는 우주의 특정 부분

② 주위(surroundings) : 계 밖의 나머지 우주

③ 전체 우주 = 계 + 주위


2) 계의 종류 : 계와 주위를 분리하는 경계의 종류에 의해 구별


① 열린 계 : 물질과 에너지를 주위와 교환할 수 있는 계. 열린계는 주위와 열평형을 이루지 못하므로 열화학에서는 다루지 않는다. (예: 기체 관여 반응에서 사용하는 비커)

② 닫힌 계(밀폐된 계) : 에너지 출입은 허용되나 물질의 출입은 허용되지 않는 계. 주위와 열평형을 이룰 때까지 열과 일로 에너지를 교환한다. (예: 마개를 가진 용기)

● 단열계(adiabatic system) : 열의 흐름을 차단하는 경계에 의하여 주위와 열을 교환하지 않고 만 교환한다. (단열재로 싼 피스톤이 움직이는 실린더)

● 일정한 부피계 (isochoric system): 계의 경계가 고정되어 부피의 변화가 없으므로 주위와 일을 교환하지 않고 만 교환한다. (봄베 열량계의 봄)

③ 고립 계 : 에너지와 물질 모두 출입이 허용되지 않는 계 (예: 봄열량계, 보온병, 우주)


3) 계의 상태 (state of system)와 에너지

① 열역학적 상태(thermodynamic state) : 계의 열역학적 성질을 나타내는 상태 변수 P, T, V, S, n, 성분들에 의해 규정되는 일정한 내부 에너지를 가진 조건

② 표준상태 : 온도는 298K(25℃), 반응에 참여하는 기체의 분압은 0.1MPa(1기압), 수용액의 농도는 1M

③ 에너지: 일을 할 수 있는 능력. J은 kg·m2/s2이다.

④ 열역학에서 에너지를 표현하는 열역학 퍼텐셜에는 크게 4종류가 있다. 이 중에서 내부 에너지, 엔탈피, 깁스 자유에너지가 화학에서 주로 이용된다.



열역학 퍼텐셜

의미

내부 에너지

U ≡ H − PV = A + TS

일정한 온도와 압력에서 계를 구성하는 입자들의 운동 에너지와 위치 에너지의 합

헬름홀츠 자유 에너지

A ≡ U − TS

   = G − PV

일정한 온도와 압력에서 밀폐된 계로부터 얻을 수 있는 유용한 일

깁스 자유 에너지

G ≡ A + PV = H − TS

일정한 온도와 압력에서 계로부터 얻을 수 있는 비역학적인 일과 자발성

엔탈피

H ≡ G + TS = U + PV

일정한 압력에서 계에 출입하는 열에너지


4) 상태함수(state function)와 경로함수(path function)

① 상태 함수 : 계의 현재 상태에만 의존하고 온도나 압력과 같은 변수에 의해 결정되고 현재의 상태에 도달한 과정과는 무관한 계의 성질. 상태함수의 변화는 오직 초기 상태와 최종 상태에 의해 결정된다.

  예) 부피, 온도 및 압력, 에너지, 엔탈피, 엔트로피, 깁스 자유 에너지 등  

변화량 = 나중값 - 처음값

② 경로함수: 변화가 일어나는 중간 과정에 따라 결과가 다르게 나타나는 물리량. 과정에는 가역과정과 비가역과정이 있다.

   예) 일, 열


5) 크기 성질과 세기 성질

① 크기(extensive) 성질: 전체 값이 부분의 합으로 나타나는 성질로써 물질의 양에 의존한다.

    예) 에너지, 질량, 부피, 엔탈피 등

② 세기(intensive) 성질: 전체 값과 각 부분 값이 같은 크기로 나타나는 성질로써 물질의 양에 무관하다.

    예) 온도, 압력, 밀도 등

+ Recent posts