소개글
"성균관대 물리화학"에 대한 내용입니다.
목차
1. 물리화학 과제 해결을 위한 열역학의 이해
1.1. 열역학 이전과 초기의 열역학
1.2. 뉴턴 역학과 열역학의 관점 차이
1.3. 칼로릭 이론과 열역학 1법칙의 확립
1.4. 뉴턴 역학의 한계와 전자기학의 등장
1.5. 열역학 제 1법칙 - 에너지 보존원리
1.6. 열역학 제 2법칙의 시작
1.7. 열역학 제 2법칙의 확립
1.8. 엔트로피의 탄생
1.9. 뉴턴 역학과 열역학의 조화 - 볼츠만의 질서원리
1.10. 볼츠만과 깁스의 연구 차이
1.11. 볼츠만의 질서이론이 생물학에 적용될 수 있는가
2. 국내 식품오염 사례와 예방
2.1. 서론
2.2. 세균성 식중독 - 포도상구균
2.3. 노로바이러스
2.4. 곰팡이독 - 아플라톡신
2.5. 방사능 오염
2.6. 금속 이물질
2.7. 결론
3. 알루미늄-공기 전지의 실험
3.1. 배터리의 구성 요소, 종류 및 특징
3.2. Al-air battery의 이론 및 특징
3.3. 실험 방법
4. 참고 문헌
본문내용
1. 물리화학 과제 해결을 위한 열역학의 이해
1.1. 열역학 이전과 초기의 열역학
바람, 물, 그리고 동물과 이들에 의하여 움직이는 간단한 기계들만이 동력원이었던 18세기, 영국의 증기기관이 급속도로 전파되면서 열역학이 탄생하였다. 이 때의 열역학은 기계적 에너지를 생산할 수 있는 가능성에만 관심을 두었기 때문에 '열의 본성'에 대해서는 크게 염두에 두지 않았다. 이제레의 지사였던 장 조세프 푸리에가 '열의 흐름은 온도의 기울기에 비례한다'는 사실을 밝혀냈다. 이는 그 당시를 지배하고 있던 뉴턴 역학의 관점으로는 이해할 수 없는 또 다른 물리적 이론으로 인식되었다.
1.2. 뉴턴 역학과 열역학의 관점 차이
뉴턴 역학과 열역학의 관점 차이는 다음과 같다.
19세기 초, 뉴턴 역학이 모든 과학의 기초인 것으로 여겨졌다. 하지만 새롭게 발견된 전자기학은 기계론적 모형으로 표현할 수 없는 현상들이었다. 전자기학에서 도입된 "역장(力場)"이란 개념은 그 자체로 물리적 실체를 가지고 있었고, 물체라는 기준 없이도 연구될 수 있음을 보여주었다. 맥스웰은 에테르라는 물질을 도입하여 장(場)을 역학적으로 설명하고자 했지만 실패했고, 아인슈타인은 에테르가 존재하지 않으며 전자기장이 그 자체로 물리적 실체라고 밝혀냈다.
뉴턴 역학과 열역학의 관점 차이는 다음과 같다. 뉴턴 역학에서는 계가 딱 한 번 주어지고 그 출발점이 결코 잊혀지지 않는 그러한 궤적에 의하여 변화한다. 하지만 열역학의 관점에서 보면, 격리된 계에서는 모든 평형하지 않은 초기 조건에 의하여 평형을 향한 방향으로 진행되고, 그 결과 평형상태에 도달하였을 때는 초기 조건과는 전혀 관계없는 상태가 된다.
즉, 뉴턴 역학에서는 계의 변화를 각각의 입자들의 운동을 통해 예측하는 것이 목표인 반면, 열역학에서는 온도, 압력, 부피 등과 같은 거시적인 변수가 변함에 따라 계가 어떻게 반응할 것인가를 예측하는 것이 목표이다. 또한 기계적인 기관에서는 위치에너지가 일로 변환되며 이들은 동일한 성질이지만, 열기관에서는 물질의 변화를 통해 팽창과 같은 일 에너지가 되는데, 계가 다시 운동을 하기 위해서는 초기 상태로 되돌려져야 한다는 제약이 있다.
이러한 관점의 차이는 열역학 제 2법칙의 확립으로 이어지게 된다.
1.3. 칼로릭 이론과 열역학 1법칙의 확립
1830년대에 에너지라는 개념이 생기기 전까지만 해도 '칼로릭 이론'이 주를 이루고 있었다. 칼로릭이론에 의하면 칼로릭은 무게가 없는 물질입자이다. 어떤 물체가 뜨거운 것은 그 물체 속에 온도의 변화는 그 물체가 칼로릭을 흡수하거나 방출해서 생기는 것이었다. 따라서 고체가 열을 받으면 물질입자와 칼로릭이 결합하며 그에 따라 부피가 커져서 기체가 된다. 또 두 물체가 마찰할 때 생기는 열은 각 물체 속에 들어있던 칼로릭이 마찰에 의해 빠져나오는 것으로 설명 되었다. 이러한 칼로릭 이론은 열과 일이 서로 같은 종류의 양이고 서로 변환되며 그 합은 보존된다는 열역학 1법칙이 확립됨에 따라 사라지게 된다.
1.4. 뉴턴 역학의 한계와 전자기학의 등장
19세기까지 데카르트의 기계론적 자연관에 바탕을 둔 뉴턴 역학은 모든 과학의 기초인 것으로 여겨져 왔다. 그러나 새로이 발견된 전자기학이라는 학문은 기계론적 모형으로는 표현할 수 없는 것들이 존재했다. 전자기학을 연구하면서 도입된 역장(力場)이란 개념은 그 자체의 실재를 가지고 있으며 물체라는 기준이 없이도 연구될 수 있음을 보여 주었다. 맥스웰 자신도 에테르라는 물질을 도입함으로써 장(場)을 역학적으로 설명하려 하였지만 실패하였다. 이후 아인슈타인이 에테르란 존재하지 않으며, 전자기장은 그 자체가 물리적 실체이고 기계적으로 설명할 수 없는 것이라고 밝혀냈다. 이로써 뉴턴 역학의 한계가 드러나고 전자기학이 새로운 분야로 등장하게 되었다.
1.5. 열역학 제 1법칙 - 에너지 보존원리
19세기 초, 아래 표에 나온 실험들을 통해 물리학의 새로운 분야들을 역학과 같은 전통적인 분야와 연결 짓는 조직망을 형성하였다.
년도 이름 내용
1786년 Galvani 개구리의 수축을 통해 전류를 만들어냄
1800년 Volta 화학전지를 만듬(화학반응 -> 전기)
1820년 Oersted 전류에 의하여 생기는 자기적인 효과 발견
1822년 Seeback 열로 전기를 생산
1831년 Faraday 자기효과의 방법으로 전류를 유도
1834년 ?? 전기로 물체를 식히는 법 보임(전기->열)
이 무렵 독일을 중심으로 자연철학주의가 사회 전반적으로 퍼지기 시작했다. 자연철학주의자들은 자연세계의 모든 현상을 포괄하는 무엇인가가 있다고 강조하였다. 이러한 영향을 받은 대표적인 3명이 Mayer, Helmholtz, Joule이다. 이들은 각각의 활동에 의하여 에너지 보존의 원리 또는 열역학 1법칙을 발견하게 된다.
이름 내용
Mayer 의사였던 Mayer는 근무 중 열대인들의 정맥피가 유럽인보다 매우 빨간 것을 발견하였다. 혈액에 산소가 많을수록 피는 빨간색을 띄게 된다. 사람이 음식물을 먹으면 그것이 산소와 반응해서 몸의 열이 되고 그 열이 다시 역학적 에너지로 소모된다. 이러한 내용을 바탕으로 Mayer는 열대성 기후에서는 주민들이 역학적 에너지의 소모가 작아서 정맥피 속에 산소가 더 많이 남아 있기 때문에 더 빨간 색이라는 결론을 내렸다. 이는 음식물의 화학적 에너지, 열, 역학적 에너지 등이 상호변환이 가능한 같은 종류의 양임을 나타낸다.
Helmholtz 동물에 의하여 발생된 열량이 그 음식물을 열량계에 넣고 태웠을 때 발생되는 열량과 같다는 사실을 발견했다. 이를 통해 역학에서의 에너지보존의 법칙이 다른 모든 에너지를 포함하는 형태로 확장되어야 함을 주장하였다.
Joule Joule은 화학, 열, 전기, 자기, 그리고 생물학 간의 '어떤 것'은 항상 보존된다고 하였다. 이 때 그 '어떤 것'을 측정하기 위해서 일반적인 '당량(equivalent)를 설정하였다. 이를 통해 그는 주어진 양의 열을 내는 각종 에너지의 양을 재는 실험을 했고, 특히 역학적 에너지가 전기에너지로, 그리고 그것이 열로 바뀌는 과정에 대한 실험을 통해 일과 열 사이의 상호변환계수의 정확한 측정에 성공했다.
이들에 의하여 열과 일이 서로 같은 종류의 양이고 서로 변환되며 그 합은 보존된다는 에너지 보존의 법칙, 또는 열역학 1법칙이 확립되었다.
만약 자연계에 열역학 제1법칙만 존재한다면 에너지가 고갈될 걱정은 할 필요가 없을 것이다. 하지만 그것은 그리 쉽게 생각할 문제가 아니며, 우리가 사는 세상은 실제로 그렇지도 않다.
1.6. 열역학 제 2법칙의 시작
19세기의 물리학자들은 자연의 에너지는 보존된다는 생각 때문에 증기기관에 사용되는 연료가 고갈될 것이라는 사실을 무시해버렸다. 이러한 생각은 프랑스의 젊은 육군 장교 Sadi Carnot이 고안해낸 일련의 순환 과정을 통해서 바뀌게 되었다.
Sadi Carnot은 1824년에 열기관의 에서 얼마만큼의 일을 얻어낼 수 있는지 알아내는 과정에서 등온팽창-단열팽창-등온압축-단열압축으로 이어지는 이상적인 순환과정을 고안해냈다. 이때 공급된 일은 그래프로 둘러싸인 면적으로 표시된다.
1850년, Clausius는 가역의 개념을 통해 미적분을 응용하여 카르노의 이론을 수학적으로 다루었다. 또한 Carnot 순환과정을 따르는 열기관이 초기조건으로 돌아가는 과정에서 일련의 보상이 필요하다는 것을 발견하였다. Clausius의 발견은 모든 에너지의 변환 과정이 대가 없이 진행되는 것은 아니라는 것을 보여준다. 이렇듯 18세기 이후로는 에너지의 손실까지도 포함하는 것을 에너지 보존으로 보게 되었다. 이제 과학자들의 목적은 이 손실의 정체를 알아내는 것이 되었고 이것이 열역학 제 2법칙의 출발점이 된다.
1.7. 열역학 제 2법칙의 확립
1819년 영국 물리학자 윌리엄 톰슨(William Thomson, 나중에 켈빈 경이 됨)은 카르노 순환과정에 대해 클라우지우스가 제기한 문제점의 중요성을 파악하였다. 그는 온도의 차이에 의해 일이 발생할 때는 그 과정에서 대가를 지불해야 한다고 하였다. 즉, 높은 온도에서 낮은 온도로 열이 흐르면 일을 할 수 있지만, 낮은 ...
참고 자료
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매일경제, "건강 생각해 먹었는데"…분말 식품서 안전기준 22배 '쇳가루' 검출
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