열역학 서론

열화학(thermochemistry)은 넓은 의미로 열과 다른 종류의 에너지와의 상호변환 관계로 학적으로 연구하는 열역학(thermodynamics)의 일부라 할 수 있다.

역역학 법칙들은 물질의 변화과정에 대한 에너지 이론과 변화 방향을 알려준다.

이 절에서는 열화학 연구와 특별히 관계가 많은 열역학 제1법칙에 대하여 집중적으로 설명할 것이다.

이후로도 열역학에 대하여 계속 논의할 것이다.

열역학에서는 계의 상태 변화를 연구하는데, 계의 상태(state of a system)는 물질의 조성, 에너지, 온도, 압력, 부피와 같이 관련된 모든 거시적 성질의 값으로 정의된다. 

에너지, 압력, 부피, 온도를 상태 함수(state function)라고 하는데, 이것은 주어진 조건까지 도달한 과정에는 상관없이 계의 상태에 의해서만 결정되는 성질이다. 

다시 말하면, 계의 상태가 변할 때 임의의 상태 함수가 변화하는 크기는 계의 초기 상태와 최종 상태에만 관련이 있고, 그 변화가 일어나는 과정에는 무관하다는 것이다.

일정한 양의 기체에 대한 상태는 그 기체의 부피, 압력, 온도에 의해서 특징지어진다. 

초기 상태가 2 atm, 300 K, 1 L인 기체를 생각해 보자.

일정한 온도에서 기체의 압력이 1 atm 으로 감소하는 어떤 과정을 가정해 보자.

보일 법칙에 의하면 부피는 2L로 증가해야 한다.

그 결과 최종 상태는 1 atm, 300 K, 2 L에 해당한다. 부피 변화(AV)는 다음과 같다.

여기서 V1와 V2는 각각 초기 상태와 최종 상태에서 부피를 나타낸다.

어떤 과정을 거쳐서 최종 상태에 도달하든지(예를 들어, 기체의 압력이 처음에는 증가하다가 다음에 1 atm으로 줄어들 수도 있다), 부피 변화는 항상 1 L이다.

따라서 기체의 부피는 상태 함수이다.

마찬가지로, 기체의 압력과 온도 역시 상태 함수인 것으로 나타날 수 있다.

그림6.3 산 아래에서 정상으로 올라갈 때 퍼텐셜 에너지의 증가는 그 경로에 무관하다.

 

에너지는 또 다른 상태함수이다. 퍼텐셜 에너지를 예로 들면, 우리가 같은 출발점에서 산꼭대기까지 올라갈 때, 어떤 길로 가더라도 중력장에서 퍼텐셜 에너지가 알짜로 증가한 부분은 언제나 똑같다는 것을 발견하게 된다(그림 6.3),