[열역학] 1.1 기본개념들 - 계와 주위, 상태와 상태량, 경로와 과정, 상태함수와 경로함수

지금까지 열역학 포스팅을 몇 개 올려두었는데, 가장 기본이 되는 용어나 열역학 법칙들에 대한 포스팅이 없었던 것 같다. (지금까지는 binary solution에 대해서만 다루었다. 이전의 포스팅이 궁금하다면 확인해보자) 그래서 오늘 포스팅부터는 열역학의 기초부터 심화까지 세세하게 정리해서 적어두려 한다.

 

그 첫 시작으로, 열역학에서 중요하게 사용되는 용어들 및 개념들을 간략하게 정리하고 넘어가보겠다.

그럼 시작해보자!

 

 

 

 

 

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1. 계(System)와 주위(Surroundings)

열역학에서 계와 주위, 경계란 다음을 의미한다.

계(System): 우리가 탐구하고자 하는 우주의 한 부분
주위(Surroundings): 계를 제외한 우주의 모든 부분
경계(Boundary): 계와 주위를 나누는 경계

 

 

1.1. 계의 종류

내가 탐구하고자 하는 영역인 계(system)는 물질 및 에너지의 교환 여부에 따라 다음과 같이 열린계(Open system), 닫힌계(Closed system), 고립계(Isolated system)로 나눌 수 있다.

 

열린계(Open system): 계와 주위 사이에 에너지와 물질이 모두 교환할 수 있는 계
닫힌계(Closed system): 계와 주위 사이에 에너지만 교환 가능하고, 물질이 교환할 수 없는 계
고립계(Isolated system): 계와 주위 사이에 어떤 것도 교환 불가능한 계

 

 

2. 상태(State)와 상태량(Property)

상태(State)란 계(System)를 여러 상태량(혹은 성질)을 이용해 서술하는 것을 말한다. 즉, 상태(state)는 여러 상태량들을 원소로 하는 집합과도 같다. 예를 들어, 얼음물의 상태는 온도($ T $), 부피 ($ V $) 등의 상태량들로 표현될 수 있는 것이다. 즉, 다음과 같은 형식으로 표현될 수 있다.

 

$$ State: \; (P, \; T, \; V, \; \cdots ) $$

 

그렇다면, 이 상태량들은 무엇을 의미할까?

상태량(Property, State variable 등 다양하게 표현)이란 계(System)를 정량적으로 표현이 가능한 거시적인 특성을 말한다. 위에서 언급한 온도($ T $), 부피 ($ V $) 등이 그 예시가 될 수 있겠다.

 

이러한 상태량은 아래와 같이 두가지로 구분된다. 

 

2.1  종량적 상태량 (혹은 크기성질, Extensive property)

종량적 상태량(Extensive property)이란, 계의 크기나 양에 의존하여 값이 변하는 상태량을 말한다.

예시로는 부피(V), 몰(n) 등이 있다.

 

당연하게도 종량적 상태량은 어떤 상태량의 크기를 나누어서 normalize가 가능할 것이다. (ex. unit volume, unit mole 등)

우리는 이러한 상태량을 비 상태량(Specific property)라 부른다.

예시로는 단위 부피 당 어떤 종량적 상태량 등이 될 수 있겠다.

 

2.2 강성적 상태량(혹은 세기성질, Intensive property)

강성적 상태량(Intensive property)이란, 계의 크기나 양에 독립적이어서, 크기와 양이 변해도 그 값이 변하지 않는 상태량을 말한다. 

예시로는 온도(T), 압력(P) 등이 있다.

 

3. 평형(Equilibrium)

평형(Equilibrium)이란, 어떤 계(System) 내부 혹은 외부 사이에 물질이나 에너지의 거시적인 net flow가 없고, phase의 변화가 없는 상태를 평형이라고 부른다. 즉, 공간이나 시간에 따라 변화가 없는 상태를 의미한다.

 

반대로 불평형(non-equilibrium) 상태는 계 내부 혹은 외부 사이에서 물질이나 에너지의 net flow가 존재하고, 시간에 따라 그 상태가 변할 때를 의미한다.

 

 

 

 

4. 경로(Path)

경로(path)란 계(system)의 상태(state)가 변화할 때, 그 상태변화의 순서를 연속적인 집합으로서 나타낸 것이다. 

이해를 돕기 위해 아래 그래프를 살펴보자.

위 그래프에서 표시된 계는 State A에서 State B로 상태가 변했다. A의 상태량 $ T_A $ , $ P_A $ 가 검정, 빨강, 파랑으로 표시된 경로(path)를 따라 B의 상태량 $ T_B $, $ P_B $ 으로 변했음을 알 수 있다.

 

5. 과정(Process)

열역학에서 과정(Process)이란, 어떤 평형을 이루는 계(system)가 다른 상태로 바뀌는 것을 말한다. 즉, 앞서 4번에서 언급한 경로(path)는 과정이 이뤄지는 동안, 상태의 자취를 나타낸 것이다.

 

 

5.1 가역과정(Reversible process)

가역과정이란 계(system)와 주위(surrounding)가 전체 경로에 대해 언제나 평형을 이루고 있는 과정을 말한다. 평형을 이루고 있으므로, 한 방향으로 진행된 반응을 역으로 진행시킬 때, 추가적인 에너지가 들지 않는다. 다시 말해, 언제든 이전 상태로 돌아갈 수 있다는 말이다. 이러한 가역과정은 일반적으로 과정이 매우 느리게 진행될 때의 상황으로 이해할 수 있다.

 

5.2 비가역과정(Irreversible process)

 반면, 비가역과정이란,  계(system)와 주위(surrounding)가 전체 경로에 대해 평형을 이루지 못하는 과정을 뜻한다. 즉, 이전 상태로 돌아가기 위해서 추가적인 에너지가 필요하다는 뜻이다. 우리 주변의 모든 반응은 비가역과정이라고 볼 수 있겠다. 

 

 

또한 가역/비가역 여부와 상관없이, 열역학적 과정에는 다음과 같은 것들을 생각해볼 수 있다.

- 단열과정(diabatic) : 계와 주위의 열출입이 없는 과정 (Q=0)
- 등압과정(Isobaric) : 압력이 일정한 과정
- 등온과정(Isothermal) : 온도가 일정한 과정
- 등적과정(Isochoric) : 부피가 일정한 과정
- 등엔트로피과정(Isentropic) : 엔트로피가 일정한 과정

 

6. State Function & Path Function

 상태함수란, 그 양 자체로 계의 평행상태를 표현할 수 있는 것들을 말한다. 따라서 오로지 계의 현재상태에만 의존적이고, 경로와는 독립적이다. 즉, 상태가 변화하더라도, 나중 상태와 처음 상태의 차로 표현할 수 있는 함수를 말한다.

ex: T, P, V, U 등

 

 반면, 경로함수란 그 양이 계의 평행상태의 전이를 표현하는 것들을 말한다. 과정의 경로에 의존적이며, 나중상태와 처음상태가 같다고 할 지라도, 어떤 경로를 통하여 변화하였는지에 따라, 그 양이 변화게 된다. 

ex: 일, 열 등

 

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오늘 포스팅에서는 열역학 기본 용어와 개념들에 다뤄보았다.

다음 포스팅서부터는 조금 더 디테일한 이야기를 해보도록 하고,

오늘은 여기서 마치도록 하겠다.

 

내용이 조금 불충분한 부분이 있기는 한데, 시간이 허락하는대로 수정해놓도록 하겠다.

 

그럼 안녕~~!!