열역학 1법칙과 팽창일, 엔탈피의 개념

소개

열역학 1법칙에 대한 기본개념과 열역학 1법칙의 식을 팽창일에 대해 설명하면서 응용하여
가역팽창과 등온가역팽창이 1법칙과 어떤 연관이 있는지에 대해서 설명하였다.
더불어 일정부피에서의 열용량과 엔탈피의 개념도 추가적으로 설명하였다.

목차

1. 제 1 법칙의 기본개념
- 내부에너지의 변화
- 열역학 제 1법칙을 나타내는 식과 의미
2. 팽창 일
- 일을 나타내는 일반식
- 가역팽창
- 등온가역팽창
3. 열용량과 엔탈피

본문내용

1. 계의 전체 에너지 = 내부 에너지(U)
- 계의 에너지 : 계가 일을 할 수 있는 능력
- 내부 에너지 : 계를 이루고 있는 분자들의
운동 에너지 + 퍼텐셜 에너지
2. 내부 에너지의 변화 (△U) = Uf - Ui
Ui : 계의 처음상태의 내부 에너지
Uf : 계의 최종상태의 내부 에너지
물리화학에서는 우주를 계와 그 주위 두 부분으로 나눕니다. 여기서 계는 우주의 한 부분으로서 반응 용기 일수 도 있고, 엔진이나 전지 일 수 도 있고 흔히 보는 물건들일 수도 있다. 그리고 계의 둘레는 주위라고 한다.
계의 전체 에너지는 내부에너지와 같고 여기서 계의 에너지란 계가 일을 할 수 있는 능력을 말하며 내부에너지는 계를 이루고 있는 분자들의 운동에너지와 퍼텐셜에너지의 합입니다. 여기서 운동에너지란 분자들의 회전이나 진동 운동에 대한 에너지를 말하고, 퍼텐셜 에너지란 화학결합 및 분자간의 힘을 나타내는 에너지로 chemical energy라고도 한다.
이를 토대로 계의 내부에너지 변화를 간단히 식으로 나타내게 되면
다음과 같습니다. 여기서 Ui는 계의 처음상태의 내부에너지이고 Uf는 계의 최종상태의 내부에너지 입니다.
기본개념
△U = q + w ( w : 계에 행해지는 일
q : 열로서 계로 이전되는 에너지)
3. 열역학 제 1법칙 (에너지 보존 법칙)
- w > 0 or q > 0 : 외부로부터 계로 에너지가 일이나 열로 이전
- w < 0 or q < 0 : 계로부터 에너지가 일이나 열로 빠져나감
- w = q = 0 : △U 는 일정
계에 일을 해주면 내부에너지(U)는 증가한다.
계가 일을 하면 내부에너지(U)는 감소하게 된다.
앞의 내용을 토대로 열역학 1법칙에 대해 식으로 표현하면 다음과 같습니다. 여기서 w는 계에 행해지는 일이고 q는 열로서 계로 이전되는 에너지 입니다.
이것의 의미는 w 와 q가 양수라는 것은 계가 외부로부터 에너지가 일이나 열로 이전됨을 의미하고 음수라는 것은 계로부터 에너지가 일이나 열로써 빠져 나감을 의미합니다.
계에 출입하는 에너지가 없다면 내부에너지는 일정하게 됩니다. 따라서 태엽을 감거나 물을 끓이는 등의 계에 일을 해주면 내부에너지는 증가하고 태엽을 풀거나 전기모터가 돌아가는 것은 계가 일을 하기 때문에 내부에너지가 감소하게 됩니다.

참고자료

· Atkins "physical chemistry"