열역학의 Introduction과 단어정의

1. 열역학은 경험적인 학문이다. 증명되진 않았지만, 주변 화학반응/Cycle에 대해서 매우 잘 설명해준다. 

2. 열역학은(특히 화학에서) 화학반응의 핵심적인 Key가 Heat에 있음을 알고 있다. 

3. 열역학은 Macroscopic한 학문이다. 

4. 열역학은 다음과 같은 질문들에 대해 대답해 줄 수 있다. 

  -. 수소와 질소가 섞이면 반응할 것인가? 반응한다면 얼마의 수율을 가질 것인가?

  -. 온도의 변화는 이러한 반응의 범위에 어떤 영향을 미칠 것인가?

  -. 최대의 수율을 얻기 위해선 어떤 조건이 필요한가? 

5. 열역학은 다음과 같은 질문에 답해줄 수 없다. 

  -. 그 반응이 얼마나 빨리 일어날 것인가? 

  -. 왜 그 Condition에서 그 Property를 가지고 있는가? 

6. 열역학적 Properties는 두가지로 나뉜다. 쉽게 생각하는 방법은 한 system을 둘로 갈랐을 때, 값이 변하는 것은 extensive, 값이 변하지 않는 것은 intensive이다. 

  -. extensive property : V, E, m

  -. intensive property : T, P

7. 외부환경에 의해 시간에 상관없이 열역학적 Property가 고정되는 경우가 있다. 이를 Constrained되었다고 하며 뒤에 나올 isothermal, isovolume과 같은 경우가 이에 해당된다.  

8. 모든 열역학적 Property들이 시간에 따라 더이상 변화하지 않으면, 그 System은 평형(Equilibrium)에 도달했다고 한다.

9. 열역학 State는 독립적인 두 개의 변수가 주어지면 알 수 있다. (P, T)

10. Thermodynamic Process란 열역학적 State의 변화를 일으킨다. 직접적으로 압력 등을 조절하는 Physical process가 있는 반면 Chemical process처럼 물질의 분배를 재조정하는 변화가 있다. 한 Equilibrium에서 다른 Equilibrium으로 이동하는 과정이다. 그 이동과정이 path가 된다. 

11. 만약 System의 Volume을 급격하게 늘렸다고 해보자. 그럼 갑자기 변화된 열역학적 property에 의해 System은 교란되며 혼돈에 빠진다. 이 중간 상태는 열역학적 state라 부를 수 없으며 path에 표시할 수 없다. 결과적으로는 다시 다른 State로 안정되겠지만 이 중간 상태는 equation of state를 따르지 않기 때문이다. 이를 irreversible process라 한다. 

12. 반면 그 변화가 점진적으로 진행되며(천천히, small step) 부드럽게 equation of state를 따라 간다면, 그 과정을 추적할 수 있고 path를 그릴 수 있게 된다. 따라서 반대방향으로도 부드럽게 진행시킬 수 있으므로 reversible process라 부른다. 

13. State Function이란 한 고유한 State에서 가지는 고유의 property를 말한다. Δ는 바로 이 State의 변화를 가리킬 때 쓰는 용어이며, path와 상관없이 initial state와 final state에만 영향을 받는다. 

출처

1. Principles of Modern Chemistry. Oxtoby Gillis Nachtrieb. Fifth Edition.