열역학 기본개념 Yongsik Lee

1. 열역학기본개념Yongsik Lee

2. Thermodynamics • 열과 관련된 현상 • 날씨, 엔진, 냉장고, 단열재, … • 열 에너지 = 화학반응의원동력 • Willard Gibbs • James Prescott Joule • Hermann von Helmholtz

3. Matter & Energy • 물질 (matter) • 공간을 차지하고 질량(mass)을 가진다 • 에너지 (energy) • 일을 할 수 있는 능력 • 열(heat)과 일(work)의 형태를 가진다 • E=mc2

4. System & surroundings • 계와 주변 • Energy flow • Matter flow • 계의 분류 • Open system • Closed system • Isolated system

5. Wall • Diathermic wall • CPU cooler • Adiabatic wall • 보온병

6. Work and Heat • ∆U = q + w • The first law of thermodynamics • 계가 열을 받으면 부호는 +, 계가 열을 잃으면 -가 된다.

7. Work and Heat

8. Indicator Diagram

9. Expansion work by heat • △U = qp + w = △H -P△V • △H = △U + P△V • 일정 압력에서 기체 반응의 경우 • △H = △U + △(PV) •                 △U = △H - △(PV) •                     = △H - △(nRT) •                     = △H - RT△n   •  (여기서 △n = 생성물 몰수 합 - 반응물 몰수 합)

10. Constant volume • 일정부피에서 반응이 일어나면,  △V = 0, 그러므로 w = 0 • △U = q + w • △U = q + 0 = qv

11. Internal energy (U) • 물체의내부와관련된모든종류의에너지 • U=Ug+Uch+Um+Uv+Ur+T • Ug: gravitational potential energy • Uch: potential energy in chemical bond • Um: mass energy • Uv: vibrationalenergy • Ur: rotational energy • T: translational energy: kinetic energy

12. 제 1법칙: 에너지 보존법칙 • 한 계가 받아들인 열에너지는 그 계의 내부 에너지를 올리거나, 혹은계가 한 일로 간다. • dq= dU + dw • Not a single violation!

13. From heat to work = Engine

14. 1 mol of ideal gas expansion • A(2.0 atm, 10.0 L), C(1.0 atm, 30.0 L) • A - B - C • W = -P∆V + 0 = -2(30-10) = -40.0 L atm • Q = qp + qv = (5R/2)(TB - TA) + (3R/2)(TC-TB) = (100 - 45) L atm • A - D - C • W = 0 -P∆V = -1(30-10) = -20.0 L atm • Q = qv + qp = (3R/2)(TD - TA) + (5R/2)(TC-TD)

15. 에너지보존법칙만으로 충분한가? • 에너지보존법칙만으로 충분한가? • 에너지보존이라고 찬 물체가 점점 더 차질 수 있는가? • 더운물과 찬물이 합치는 경우를 설명? • 열은 더운 곳에서 찬 곳으로, 한방향 만으로! • 제2법칙: 계가 일을 하는데 사용 할 수 있는 에너지(Free Energy)는 내부에너지에서TS를 뺀 양이다. • F=U-TS • T: 절대온도 • S: 엔트로피( >= 0 )

16. Definition of Entropy • Clausius에 의해 창안된 엔트로피(Entropy, S)는 단적으로 어느 계의 무질서한 정도를 나타내는 물리적 개념이라고 정의된다. • 그는 '열의 역학적 이론에 관하여(On The Mechanical Theory of Heat)'란 논문에서 모든 언어에 두루 쓰이도록 그리스어의 '변형(tropy)'이라는 단어를 빌어 'energy'라는 용어에 유비적으로 'entropy'라 명명한다고 밝혔다. • 우여곡절 끝에 1877년 볼츠만(Ludwig Boltzmann, 1844-1906)에 의해 S = klog W (W는 분자들의 배열 방법 수)라는 수학적인 관계식이 유도되면서야 비로소 엔트로피의 물리적 의미가 설정되었다.

17. 열역학 제 2 법칙 • 자발적인 변화의 방향 • 엔트로피의 증가 • 무질서도의 증가 • 엔트로피가 줄어드는 변화의 가능성을 원칙적으로 금하는 것이 아니라 경우의 수를 생각하면 매우 확률이 적다 • Maxwell’s Demon

18. 절대 엔트로피 • 0 K에서 순수한 완전 결정의 엔트로피? • 열역학 제 3 법칙 • 복잡한 분자는 엔트로피가 크다 • KCl(s) < CaCl2(s) < GaCl3 (s) • 원자의 수가 증가하면 증가 • 탄화수소 계열에서 CH2 당 40 J/K-mol • 다이아몬드(3차원 그물구조) < 흑연(2차원 구조)

19. State function vs. Path function

20. Enthalpy • H = U + PV • State function • ∆H = Cp ∆T

21. 표준 생성 엔탈피 • 엔탈피: 절대값 측정 불가, 상대적인 값 측정 • 표준 생성 엔탈피(△Hof) • 1 몰의 화합물이 그것을 이루는 원소로부터 생성될 때의 H 변화량 • 표준 반응 엔탈피 : 표준상태에서 이루어진 반응 엔탈피 • 원소의 표준 생성 엔탈피 : • 가장 안정한 상태의 원소일 때 그 값이 0 • 측정 • 직접법 : 직접 측정, 또는 표에서 직접 계산 • 간접법: 원소로부터 직접 합성이 안 되는 경우 • Hess의 법칙 이용

22. Gibbs (Free) energy • ∆G = ∆H -T ∆S ∆G/T = ∆H/T - ∆S Entropy change (1) = Entropy change (2) – Entropy change (3) • ∆S(univ) = ∆S(surr) + ∆S(sys)   ∆S(univ) = - ∆H / T(sys) + ∆S(sys)      ∆ S(univ) = - ∆ G/T(sys)

23. Bomb calorimeter

24. Using Bomb calorimeter • submerges the reaction inside an insulated container of water. An electrical heating device starts the reaction inside a sealed reaction vessel and the temperature rise of the water which surrounds it is measured. • Often used to find the calorific value - energy content - of foods. • heat loss from a calorimeter • One method of accounting for this is to use an electrical heater to produce the same temperature change over the same time period in the calorimeter as the reaction being measured. • Another method is to keep the temperature of the water surrounding the reaction vessel constant by heating or cooling it,

25. Heat capacity calculation

26. Heat of combustion calculation