열역학

체계

화학열역학을 논하기 위해서는 계와 그 주변을 명확히 정의할 필요가 있다. 시스템은 특정 물리적 및 화학적 특성을 가진 물질의 일부이며 벽에 의해 주변과 분리됩니다. 주변은 시스템 외부에 있는 나머지 우주입니다. 시스템의 예로는 물이 채워진 비커, 가스가 있는 실린더 또는 생물학적 세포가 있습니다. 우리는 시스템을 정의하는 여러 용어를 구분합니다.

• 개방형 시스템은 예를 들어 개방형 원자로와 같이 물질과 에너지가 시스템의 주변 환경과 교환될 수 있음을 의미합니다.
• 닫힌 시스템은 예를 들어 닫힌 플라스크와 같이 물질을 교환할 수 없음을 의미합니다. 그러나 에너지 교환은 가능합니다. 닫힌 시스템은 단열(질량이나 열을 교환하지 않지만 다른 형태의 에너지를 교환하는 경우(예: 일)) 또는 등온(질량을 교환하지 않지만 모든 형태의 에너지를 교환하는 경우)일 수 있습니다.
• 격리된 시스템은 예를 들어 격리되고 밀폐된 진공 플라스크와 같이 주변과 교환되는 물질이나 에너지가 없음을 의미합니다.

상태 매개변수

각 시스템에는 다음과 같은 변수 또는 매개변수라고 하는 정의 물리량이 있습니다.

1. 광범위한 , 예를 들어 부피 또는 몰수와 같이 시스템에 존재하는 물질의 양에 의해 영향을 받는 경우;
2. 집약적 , 시스템의 물질 양(예: 몰 분율, 특정 부피 또는 온도)과 무관한 경우.

언급된 매개변수는 시스템 및 프로세스에 특정한 열역학 기능의 기본 값을 결정합니다. 여기 에는 내부 에너지(U), 엔탈피(H), 엔트로피(S), 자유 에너지(F), 자유 엔탈피(G) 및 이들의 파생물이 포함됩니다. 1몰의 물질을 포함하는 1성분 시스템의 경우, 이 값은 아래 첨자에 추가 문자 "m"으로 지정된 몰 열역학 함수를 나타냅니다. 열역학에서는 항상 적절한 단위를 사용해야 합니다. 온도의 경우 0°C = 273.15K인 켈빈 척도를 사용하고 압력의 경우 1파스칼을 사용합니다.

프로세스의 가역성

물리화학적 프로세스 중에 시스템의 초기 매개변수가 변경됩니다. 프로세스가 완료되면 역반응이 발생하면 복원할 수 있습니다. 따라서 시스템은 초기 값으로 돌아갑니다. 즉, 프로세스를 되돌릴 수 있습니다. 그러나 반응 중에 주변과 교환된 질량, 열 또는 일의 양이 반응이 종료될 때 서로 균형을 이루지 못하면 그 과정은 비가역적인 것으로 간주됩니다. 적어도 하나 의 기판이 소진될 때까지 한 방향으로만 진행할 수 있습니다. 프로세스는 또한 자발적(시스템의 에너지를 희생하여 발생하는 경우) 또는 유도(주위로부터 에너지를 획득해야 하는 경우)일 수 있습니다. 시스템과 주변 환경 사이에 힘이나 에너지 구배가 없고 시스템 매개변수가 변경되지 않은 경우 시스템은 평형 상태에 있는 것으로 간주됩니다.

단계

시스템은 하나 이상의 구성 요소뿐만 아니라 하나 이상의 단계도 포함할 수 있습니다. 시스템에서 상은 물리적 및 화학적 특성이 균일한 부분을 의미합니다. 다상 시스템에는 눈에 보이는 인터페이스가 있습니다. 다른 단계의 가장 간단한 예는 액체, 기체 및 고체의 세 가지 다른 상태의 물입니다. 상을 기술할 때 온도와 압력뿐만 아니라 질적 및 양적 구성도 명시해야 합니다.

시스템의 내부 에너지(U)

그것은 특히 운동 에너지 및 회전 에너지, 원자 진동 에너지, 전자 운동 또는 원자 결합을 포함하는 시스템에 포함된 물질의 에너지의 합입니다. 내부 에너지는 시스템의 상태, 즉 시스템의 온도, 압력 및 구성 요소의 몰수에 의해 정의되는 광범위한 매개변수입니다. 온도와 압력 매개변수가 일정하게 유지되는 폐쇄 시스템을 분석하면(T, V=const) 내부 에너지 값은 몰 수와 몰 내부 에너지의 곱입니다. 후자는 콘텐츠 백분율을 포함하여 개별 구성 요소의 내부 에너지 합계입니다. 에너지의 SI 단위는 줄(1J)입니다. 때때로 우리는 또한 칼로리 또는 전자 볼트로 표현된 값을 사용합니다. 이상 기체 방정식을 만족하는 기체의 부피가 변할 때 시스템의 내부 에너지는 일정하게 유지됩니다.

엔탈피(H)

내부 에너지의 합과 압력과 부피의 곱으로 정의되는 중요한 열역학적 함수입니다. 즉, 시스템 상태를 특징짓는 독립적인 매개변수에 따라 달라집니다. 이것은 확장 가능한 양, 즉 부가적입니다. 닫힌 시스템의 매개변수 p와 T가 일정하면 엔탈피는 물질의 몰수와 몰 엔탈피의 곱입니다. 완료된 프로세스에서 엔탈피의 변화는 초기 상태(H _initial )와 최종 상태(H _final )에만 의존하는 반면 프로세스 과정은 관련이 없다는 것이 중요합니다. 압력 변화는 이상 기체 방정식을 만족하는 기체에 의해 형성된 시스템의 엔탈피 변화를 초래하지 않습니다.

시스템과 주변 환경 사이의 에너지

에너지는 형태를 바꿀 수 있으므로 시스템과 주변 환경 간에 열(Q) 또는 일(W)로 전달될 수 있습니다 . 시스템에 추가된 모든 일과 열은 에너지를 증가시키므로 양수 값(Q>0, W>0)을 가져야 합니다. 반대로 시스템의 에너지를 줄이는 모든 작업(수행된 작업 또는 주변으로 방출되는 열)은 음수 값(Q<0, W<0)으로 표시됩니다. 열 효과는 두 가지 범주로 나뉩니다.

1. 열이 시스템에 추가되는 endergonic,
2. exergonic, 여기서 시스템은 열 에너지를 주변으로 방출합니다.

시스템이 수행하는 작업도 나눌 수 있습니다. 다음과 같을 수 있습니다.

1. 비압력 체적 작업 – 시스템 체적의 변화와 관련이 없거나
2. 압력-체적 작업 – 시스템에 작용하는 외부 압력과 관련됨; 이러한 유형의 작업은 시스템의 볼륨을 변경합니다.

열역학 제0법칙

열역학 제0법칙은 열역학적 평형 상태에 있는 물체는 전체적으로 동일한 온도를 갖는다고 말합니다. 따라서 법칙은 열을 교환할 수 있는 모든 부품에 대해 시스템에서 동일한 경험적 온도가 존재한다고 가정합니다. 이는 이러한 부품들이 화학적 및 기계적 평형 외에도 열역학적 평형을 얻기 위한 전제 조건인 열 평형을 향하기 때문입니다.

열역학 제1법칙

에너지 보존 법칙이라고도 하며 시스템의 엔탈피 또는 내부 에너지의 변화와 직접 관련이 있습니다. 여기에는 두 가지 주요 가정이 있습니다.

1. 시스템이 다음 조건을 충족하는 경우 프로세스에 관계없이 격리된 시스템의 내부 에너지는 일정하게 유지됩니다.

U = 상수 dU = 0 ΔU = 0

2. 폐쇄형 비고립 시스템의 내부 에너지는 주변과의 일과 열 교환의 결과로 변할 수 있습니다. 그 변화는 부가적이며 시스템에 추가되거나 시스템에서 추출된 에너지의 합과 같습니다.

열역학 제1법칙의 가장 중요한 결과는 시스템의 내부 에너지가 공정 경로와 무관한 상태의 함수로 간주된다는 사실입니다.

열역학 제2법칙

자연에서 열역학적 과정의 방향을 정의하는 원리입니다. 모든 현상이 동일한 비가역적 방향으로 진행된다고 가정합니다. 고립계에는 시간이 지나도 감소하지 않는 엔트로피(S) 라는 상태 함수가 있습니다. 엔트로피는 무질서한 시스템의 척도이며, 열역학 제2법칙에 따르면 고립된 시스템은 자발적인 과정에 의해 점차 덜 질서 있는 상태가 되는 경향이 있습니다. 법칙을 이해하는 가장 간단한 예는 두 시스템 간의 열 전달입니다. 열은 항상 더 뜨거운 물체에서 더 차가운 물체로 전달되며 반대 방향으로는 절대 전달되지 않습니다.

열역학 제3법칙

Planck 또는 Nernst–Planck 가정이라고도 하며, 완전 평형 상태(가장 낮은 에너지를 갖는 상태)에서 시스템의 엔트로피는 온도가 절대 영도에 접근함에 따라 0에 접근합니다. 그러나 절대 영도의 온도에서 시스템의 모든 프로세스가 중지되고 비열 및 열팽창도 절대 영도에 접근한다는 점에 유의해야 합니다. 이것은 시스템의 냉각으로 인해 엔트로피가 매우 낮은 값으로 감소하지만 실제로는 절대 영도의 온도를 달성하는 것이 불가능하다는 것을 의미합니다.