[열역학] 상태변화 관계식을 소개합니다. 등적 과정 / 등압 과정 / 등온 과정 / 엔탈피 / 엔트로피
우리는 열역학을 배우면서 이상기체의 상태 방정식을 기초로 이상기체의 상태변화 관계식을 세울 수 있습니다. 이상기체의 상태변화는 등적(정적) 변화, 등압(정압) 변화, 등온(정온) 변화 등을 통해 압력, 온도, 체적의 변화를 알 수 있습니다. 또한, 이상기체 상태 방정식은 PV=nRT이다. 이것은 상태 변화를 알 수 있는 중요한 공식이 됩니다.
* Pv=nRT는 P=기체의 압력, V=기체의 부피, n=기체 성분의 양, R=기체 상수, T=기체의 절대 온도이다.
우리는 이상기체 상태 방정식 PV=nRT을 통해서 다음과 같은 법칙을 규칙화시킨 것입니다.
- 보일의 법칙 : 온도가 일정하다면 가스의 압력과 체적은 반비례합니다.
- 샤를의 법칙 : 온도가 일정하다면 가스의 체적과 온도는 비례합니다.
- 보일 샤를의 법칙 : 온도가 일정하다면 압력과 체적은 온도에 비례합니다.
- 아보가드로의 법칙 : 온도와 압력이 일정하면 부피는 몰수에 비례합니다.
* 기체의 몰수는 1 mol의 기초 단위 속에 포함되어 있는 입자의 수를 말합니다.
등적(정적) 과정
- 등적(정적) 변화란 체적이 일정한 상태에서 열역학적으로 계의 상태가 변화하는 과정을 나타내는 것입니다.
- 등적(정적) 과정은 부피가 일정한 상태에서 기체가 열에너지를 흡수하여 온도가 증가하거나 열 에너지를 방출하면 온도가 감소하는 과정이다.
- 등적(정적) 과정은 압력 밥솥에서 예시를 찾을 수 있습니다.
- 등적(정적) 변화는 기체의 온도가 상승하면 폐쇄된 계(압력 밥솥)에서는 체적이 일정하게 유지됩니다.
- 이상기체 상태 방정식을 통해 체적은 유지되고 기체의 압력만이 증가합니다.
- 이때 압력 밥솥 내부의 압력이 증가하면 물의 끊는 점이 올라가고 밥이 설익지 않고 빨리 익게 됩니다.
- 또한 기체 체적이 유지되고 압력이 증가하면 열의 전달이 풍부해지므로 더 빨리 요리를 할 수 있습니다.
등압(정압) 과정
- 등압(정압) 변화는 압력이 일정한 상태에서 열역학적으로 계의 상태가 변화하는 과정을 나타내는 것입니다.
- 등압(정압) 과정은 압력이 일정한 상태에서 온도가 올라가면 체적도 함께 올라간다.
- 등압(정압) 과정은 압력이 일정한 상태에서 열을 흡수하면 부피가 증가하고 열을 방출하면 부피가 감소하는 과정이다.
- 등압(정압) 과정은 대부분이 대기압 상태에서 실험을 할 때 일어나는 모든 반응이 등압 과정이다.
- 대기업 상태에서 열기구에 열을 가하지 않으면 풍선의 부피가 줄어들어 땅으로 내려앉는 것을 예시로 들 수 있다.
- 등압 과정에서 계의 부피가 처음보다 증가하면 계가 한 일을 +이다. 부피가 증가한 만큼 일을 한 것이다
- 등압 과정에서 계의 부피가 처음보다 감소하면 계가 한 일은 -이다. 부피가 감소한 만큼 일을 받은 것이다.
등온(정온) 과정
- 등온(정온) 변화는 온도를 일정하게 유지한 상태에서 부피와 압력을 변화시키는 과정을 나타내는 것입니다.
- 등온(정온) 과정은 온도를 일정하게 유지합니다. 도표에서 보듯이 내부 에너지의 변화량이 없기 때문에 계에 흡수된 열은 계가 한일과 동일해야 합니다.
- 등온(정온) 과정 온도가 일정한 상태에서 열에너지를 흡수하면 부피가 증가하고 열 에너지를 방출하면 부피가 감소하는 과정입니다
- 등온(정온) 과정에서는 온도가 일정한 상태에서 부피와 압력은 반비례합니다.
- 등온 과정의 예시를 들자면 주사기의 피스톤에 압력을 가하면 부피가 감소하고 압력을 줄이면 부피가 증가합니다.
엔탈피
- 엔탈피란 액체나 기체 등 어떤 물질 1kg이 가지고 있는 열에너지이며 단위는 [kcal/kg]입니다.
- 엔탈피는 어떤 물질이 가지고 있는 고유한 에너지(열량)입니다.
- 엔탈피는 즉, 일정한 압력에서 변화가 일어날 때 변화 전 후 계가 흡수하거나 방출할 때 에너지(열량)를 의미합니다.
- 엔탈피 공식은 h=u+Pv입니다. 엔탈피 공식에서 h=계의 엔탈피, u=계의 내부 에너지, P=계의 압력, v=계의 부피입니다.
엔트로피
- 열에너지를 이용하여 기계적 에너지로 에너지 상태를 변화시킬 때 열의 이용 가치를 나타내는 척도이다.
- 엔트로피는 즉, 유용하지 않는 에너지이며 무질서도라고 표현합니다.
- 엔트로피는 가역 과정에서는 일정하게 유지됩니다.
- 엔트로피는 비가역 과정에서는 증가합니다.
- 엔트로피가 가역 과정에서 일정하게 유지되고 비가역 과정에서 증가하는 것을 엔트로피는 항상 증가의 법칙이라고 합니다.
* 가역 과정이란 주변 환경이나 외부의 영향으로 변화된 물질이 아무런 변화 없이 스스로 처음 상태로 되돌아오는 것을 말합니다.
* 비가역 과정이란 변화된 물질이 처음 상태로 되돌아가지 않는 과정을 말합니다.
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