물리학에서의 열역학 법칙
1. 열역학 제 0법칙: 물체 A와 B가 열적인 평형상태에 있고, 물체 B와 C가 마찬가지로 열적인 평형상태에 있을 때, A, B, 그리고 C의 온도는 모두 같고 이를 열적평형상태(thermal equilibrium)라고 한다.
그림 1. 열역학 제 0법칙에서의 물체 A, B, C의 배치
If a body C, be in thermal equilibrium with two other bodies, A and B, then A and B are in thermal equilibrium with one another(Buchdahl, H. A., 1966).
그림 2. A Demonstration of Thermal Equilibrium
2. 열역학 제 1법칙: 에너지 보존법칙
- 우주의 에너지의 총량은 항상 일정하다.
- 계를 경계로 에너지의 형태는 변화할 수 있다. 그러나 우주의 전체 에너지량은 불변한다.
3. 열역학 제 2법칙: 열현상의 비가역성
- 우주의 엔트로피는 항상 증가한다.
- 열(에너지)은 고온에서 저온으로'만' 이동한다. 그리고 열의 이동은 비가역적(irreversible)이다.
- 일이 열이 되는 과정은 비가역적이다.
4. 열역학 제 3법칙: 절대 0도 상태
켈빈 온도 0K(절대 0도)에서, 결정(crystal)화된 순수한 고체의 엔트로피는 0이다.
에너지의 정의
energy: 화학에서 에너지란, 물리학적 정의와 마찬가지로 일(work)을 하거나 열(heat)을 공급할 수 있는 수치적 능력이다.
- 에너지가 클수록 더 많은 일을 하거나 더 큰 열을 공급할 수 있다.
e.g. 댐에서 낙하하는 (위치에너지를 가진)물이 터빈을 돌리고, 이후 전기에너지가 생산된다.
e.g. 보일러에서 연소반응(combustion reaction)이 일어나 열에너지를 발생시킨다.
어떤 물질 혹은 계의 총 에너지(E)란, 결국 일에너지(W) + 열에너지(Q)를 의미한다.
- 에너지는 흔히 줄 단위[J]로 표현이 된다.
- 화학에서 열에너지는 칼로리 단위로 자주 표현되는데, 이를 줄 단위로 바꾸기 위해서는 아래의 관계식이 필요하다.
- 1칼로리란, 1g의 물의 온도를 14.5도씨에서 15.5도씨로 올리는 데 필요한 열에너지의 양과 같다.
에너지의 형태
우주에는 다양한 형태의 에너지가 존재하나, 물리학에서는 이 수많은 에너지의 형태를 본질적으로 두 가지로 구분한다.
1. 운동에너지(kinetic energy)
2. 위치에너지(potential energy)
어떤 물체의 운동에너지란, 이 물체의 운동(movement)과 관련된 에너지이며 변수로는 입자의 질량(m)과 속력(v)이 포함된다.
한편, 물체의 위치에너지란 이 물체의 위치상에 따라 그 값이 달라지는 에너지로, 변수로는 입자의 질량(m)과 상대적인 높이(h)를 들 수 있다.
그림 3. 위치에너지 E_p는 물체의 질량[kg]과 지표면으로부터 떨어진 높이[m]에 의해 그 값이 결정된다.
화학위치에너지(화학에너지, chemical potential energy)
- 분자 수준에서 위치에너지란, 화학적 조성에 따라 저장될 수 있는 에너지로 화학결합의 크기를 반영한다.
- 핵으로부터 전자가 멀리 떨어질수록(더 높은 에너지 준위로 들뜰수록) 전자의 U값이 더 커진다.
- 화학에너지란, 화학결합의 형태로 저장되는 위치에너지로 공유결합 화합물의 경우 공유결합의 형태로 chemical energy가 저장된다. (1)화합물이 안정한 상태일수록 낮은 퍼텐셜에너지를 보이는데, 반대의 경우 높은 퍼텐셜에너지는 화합물의 불안정성을 나타내고, (2)불안정한 상태의 화합물이 안정해질 때, 그 차이만큼의 에너지를 열 또는 빛으로 방출시킨다.
Negative Electric Potential Energy
그림 4. 양성자-전자 계의 음의 퍼텐셜에너지 그래프
양성자-전자 계(수소원자)의 퍼텐셜에너지 식은 다음과 같다.
Negative Electric Potential Energy(PE), V
식에서 -q는 전자의 전하량, +q는 양성자의 전하량을 의미한다.
- 양성자-전자 계는 기본적으로 음의 퍼텐셜에너지로 퍼텐셜에너지가 더 작아지는 방향으로 변화가 발생한다. ⇒ 퍼텐셜에너지가 더 작은 값으로 계가 자발적으로 움직이기 때문에 electron과 proton(계)은 서로 '결합'하려 할 것이다.
- 양성자로부터 자유로운 전자(free electron)은 0의 퍼텐셜에너지를 갖는다. ⇒ 0의 퍼텐셜에너지를 갖기 위해서는 r이 무한대로 향하면(electron very far away from the proton) 된다.
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화학위치에너지의 특성
1. 안정한 화합물일수록 낮은 퍼텐셜에너지 값을 갖는다.
2. 화학적 퍼텐셜에너지는 화합물에서 '화학결합'의 형태로 저장되어 있다. ⇒ 프로판 가스를 비롯한 탄화수소 연료는 탄소-탄소 결합(C-C) 및 탄소-수소(C-H) 결합에 potential energy를 저장하고 있다. 이때, 가스에 불과 같은 spark를 붙이면 연소반응을 하면서 '열에너지의 형태'로 potential energy를 일부 방출시킨다.
열 Vs. 온도(Heat Vs. Temperature)
heat: 두 물체 사이에 온도 차이에 의해 한 물체에서 다른 물체로 이동하는 에너지
- 열에너지는 열역학 제 2법칙을 따른다.
temperature: 미시적인 수준에서 물체의 온도란, 물체를 구성하는 분자의 운동에 근거한 운동에너지의 척도
- 물질을 구성한 분자 구조가 느리게 움직(진동)일 때, 이 물질은 낮은 온도 상태에 있다.
- 반대로 물질을 구성하는 분자계는 빠르게 움직일 때, 이 물질은 높은 온도 상태를 가지며, 다른 분자와 충돌하여 에너지를 분산시킨다.
그림 5. Hot Water Vs. Cold Water
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