엔트로피, 자유 에너지 및 그리고 평형

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17.1 열역학

17.2 자발적 과정 17.3 엔트로피

17.4 열역학 제2법칙 17.5 깁스 자유 에너지

17.6 자유 에너지와 화학 평형 17.7 생명계의 열역학

엔트로피,

자유 에너지 및 그리고 평형

열역학

열역학(Thermodynamics) :

• 열과 다른 종류의 에너지와의 상호변환 관계를 과학적으로 연구하는 학문

에너지 에너지

3

열린 계 닫힌 계 고립 계

열린 계:

계와 주위 사이에 물질과 에너지가 교환 가능

닫힌 계:

에너지(열)는 이동할 수 있지만 물질은 이동할 수 없는 계

고립 계:

물질이나 에너지

모두 이동이 허용되지 않는 계

계 , 주위, 우주

• 열역학 제1 법칙: 에너지는 한 형태에서

다른 형태로 바뀔 뿐 창조되거나 소멸되지

않음 (에너지 보존의 법칙)

열역학 제1법칙의 다른 표현

Δ U = q + w

Δ U : 계의 내부 에너지의 변화

q : 계로 전해지는 열량

w : 계에 한 일의 양

에너지 에너지

• 기체가 주위에 한 일: w = -P_ex ΔV, ΔV=V_f – V_i

• 기체가 팽창하여 ΔV가 양이 되면 -P_ex ΔV는 음의 값

• 기체가 압축되어(계에 일을 하는 경우) ΔV가 음이 되면 -P _exΔV가 양의 값

일 (work)

열 (heat)

열과 상태함수

1 2

S   S

단열상태

투열상태

1 2

S   S

W = 2.0kJ

W = 3.0kJ

화학 반응의 엔탈피

• H = U + PV 로 정의

엔탈피(enthalpy, H )

U q w q P V

     

    U

 q   P V 

 q

   

H U PV U PV

        H   U PV

H q P V P V V P

       

    H

 q V P   

 q

q V P

  

• 반응 엔탈피(ΔH_반응, enthalpy of reaction): 생성물의 엔탈피와 반응물의 엔탈피의 차이

• ΔH = 일정 압력하에서 반응 중에 방출하거나 흡수하는 열

• 발열 과정(계에서 주위로 열이 방출)에 대한 ΔH는 음(ΔH < 0)

• 흡열 과정(주위에서 계로 열이 흡수)에 대한 ΔH는 양(ΔH > 0)

반응 엔탈피

ΔH = H (생성물) – H (반응물)

반응 엔탈피

2 2 2

2 H g ( )  O g ( )   2 H O g ( ) 484  kJ mol /

?

  U ^{• 단열할 경우?}

• 투열할 경우?

•일정부피

• 일정압력

       

1 1, ,1 1 2 2, ,1 2 3 3, ,1 1 4 1, 2, 1

S P V T

S P V T

S P V T

S P V T

나프탈렌(C

H

) 0.1 mole을 300K의 일정 부피

통 열량계에서 태웠을 때 4kJ의 열이 방출 되었다.

이 반응에 대해 몰 당 내부에너지의 변화와 엔탈피의 변화를 계산하시오.

10 8

( ) 12

( ) 10

( ) 4

( ) C H s  O g   CO g  H O l

0.0821 / 8.314 /

R  atm L mol K    J mol K 

  ^{ q}

^{  4 kJ / 0.1 mol   40 kJ mol /   U}

   

H U PV U PV

       

   

   

8.314 / 300 2 4.99

PV nRT RT n

J mol K K mol kJ

    

    

 

45 /

H kJ mol

  

열화학 반응식의 표현

H₂O (l) H₂O (s) ΔH = -6.01 kJ/mol H₂O (s) H₂O (l) ΔH = 6.01 kJ/mol 화학 반응식과 함께 엔탈피 변화도 보여 주는 식

1. 열화학 반응식을 쓸 때 모든 반응물과 생성물에 대해서 물리적 상태를 표시

2. 열화학 반응식의 각 변에 n을 곱하면, ΔH도 n배 만큼 변화

3. 역반응으로 나타낸 때 ΔH의 부호도 변화

H₂O (l) H₂O (g) ΔH = 44.0 kJ/mol

2H₂O (s) 2H₂O (l) ΔH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ

17.2 자발적 과정

자발적인 과정(Spontaneous process)이란?

17.3 엔트로피

• 엔트로피(entropy, S): 계가 에너지를 가질 수 있는 가능한 방법 중 현재 계의 에너지가 얼마나 분산되어 존재하는지를 나타내는 척도

• 엔트로피(entropy, S):

- 분자의 무질서도

- 엔트로피는 상태함수(state function)이고, 과정에 대한 엔트로피 변화 ΔS는 계의 초기상태와 최종상태에만 의존함

ΔS = S_최종 – S_초기

W = 미시적 상태의 총 개수

Δ S = k ln W_f W_i

W_f > W_i then ΔS > 0 W_f < W_i then Δ S < 0

엔트로피의 미시적인 설명

• 볼츠만은 계의 엔트로피는 미시적 상태(W)와 S = k ln W 관계가 있음을 유도

• k = 볼츠만 상수=1.38 x10^-23 J/K

• 처음 상태에서 나중 상태로의 변화 과정에 대한 엔트로피 변화, ΔS는

Δ S = S_f - S_i 두 동일한 공간에 4개의 분자를 배치하는 방법

엔트로피 변화

• 적은 수의 미시적 상태를 가진 계는 낮은 엔트로피를 가짐

• 고체 상태 액체상태

 미시적 상태의 증가는 엔트로피의 증가를 의미

 고체가 액체가 되는 과정은 무질서도가 증가하는 과정이므로

계의 엔트로피 증가 (Δ S > 0)

계의 엔트로피 증가 (Δ S > 0) 24