제2장 열역학 제1법칙

목차

제2장 열역학 제 1법칙
2.1 계와 주위
2.2 일과 열
2.3 일의 측정 :
2.4 열의 측정
2.5 팽창과정에서 열의 유입
2.6 내부에너지
2.7 엔탈피
2.8 엔탈피의 온도에 대한 변화

본문내용

량만큼 작은 상태에서 팽창하는 경우
계가 주위로 최대 팽창일을 한다.
인 경우를 기계적 평형상태
나) 압축 : ( )
압축될 때 최소 일 ⇒ 최소
를 만족하는의 최소값은
일 때, 즉,
외부압력이 계 내부의 기체압력보다
미소량만큼 큰 상태에서 압축되는 경우
주위는 계에 최소 압축일을 주게 된다.
가역경로를 따라 팽창하면 최대 일을 생산하고,
압축될 때 최소 일을 소비
가역(reversible)과정 : 계와 주위가 평형상태에 있으면서
변화되는 과정
“변수를 미소하게 변화시켜서 그 변화를
역방향으로 일어나게 할 수 있는 변화”
유도 2.2)
조건 1) 가역 팽창, 압축 ( )
조건 2) 이상기체
조건 3) 등온과정 ( 일정, )
적분 : 이상기체, 가역 등온과정
문제) 기체 생성의 일 계산
50g의 철을 25℃에서 (a) 일정한 부피의 닫힌 용기 속에서, 그리고 또 (b) 열린 비커 속에서 염산과 반응시킬 때 하는 일을 계산하라.
풀이) a) 일정 부피 :
b) 생성된 기체가 주위의 대기를 밀어냄.
자습 2.2 25℃에서 1.0 L부피의 실린더에 담긴 1.0 몰의 Ar(g)이 등온 가역적으로 2.0 L까지 팽창할 때 행해지는 일을 계산하라.
풀이)
※ Joule의 실험
2.4 열의 측정
열량계 : 봄베열량계
: 열량계 상수
: 열량계의 온도변화
: 전위, (V, 볼트)인 전원으로부터 전류 I(A, 암페어)를 t 시간동안 통과
벤조산()의 1 몰 연소열 : 3227 kJ
예제2.1 열량계를 조율하고 열 전달량을 측정
영양분 시료의 연소로부터 발생하는 열을 측정하는 실험에서, 열량계 내부의 산소 분위기에서 화합물을 연소시켜 3.22℃의 온도 상승이 나타났다. 12.0 V의 전원으로부터 1.23 A의 전류가 같은 열량계를 123 s 동안 흘렀을 때 온도 상승은 4.47℃이었다. 연소반응에 의하여 방출된 열은 얼마인가?
풀이)
열용량(heat capacity) : 1℃ 상승시키기 위해 가한 열의 량,
( 열용량의 크기 : 무한대의 개념 )
시량성질(extensive property, 크기성질)
시강성질(intensive property, 세기성질)
비열용량(specific heat capacity), (비열)
몰열용량(molar heat capacity),
정용 열용량, ,
정압 열용량, ,
※ 닫힌계, 열역학 제1법칙
only PV work, V 일정이면 : 봄베열량계
예시 2.1 물의 정압 몰 열용량 은 75 이다.
자유롭게 팽창하는 물 100 g(5.55몰)에 1.0 kJ의 열을 가하면 온도 상승은
2.5 팽창과정에서 열의 유입
이상기체의 등온팽창 : q=-w (2. 6)
이상기체의 등온 가역팽창 : (2.7)
내부에너지와 엔탈피
2.6 내부에너지
계의
우주 전체의 에너지 = 일정 ( )
,
( 계가 에너지를 얻으며, 주위는 같은 양만큼 에너지를 잃는다. )
( 주위의 에너지 변화는 출입하는 에너지형태인 일과 열로서 알 수 있다. )
∴ : 물질의 이동이 없는 계 (닫힌계)
(2.8)
닫힌계의 내부에너지 변화는 열이나 일로서 경계를 통과해 들어온 에너지 양과 같다.
w와 q만큼 각각 일과 열로서 에너지를 계가 받으면 계의 에너지는 그만큼 증가한다.
( 계가 열 또는 일로서 주위로부터 에너지를 받았을 때 q 또는 w에 대해 양의 값 )
내부에너지 : 상태함수(state function), q, w : 경로함수
, 완전미분 , 불완전미분
일정한 부피에서 비팽창일이 없으면: (2.10a)
에서 (2.11)
2.7 엔탈피
등온, 등압 반응
흡열분해
발열산화
: 엔탈피 (enthalpy), 상태함수 (2.12)
: 몰 엔탈피 (molar enthalpy)
only PV work, 이면,
, 이고
(2-15b)
: 일정 압력하에서 전달된 열은 계의 엔탈피 변화와 같다.
일정 압력하에서 계의 엔탈피 변화는 행해진 일의 양과는 상관없이
방출 혹은 흡수된 열량과 같다.
2.8 엔탈피의 온도에 대한 변화
※ 이상기체 등온 팽창 : 온도 일정, 내부에너지 일정(),
분자간 상호작용이 없으므로 분자 평균간격에 무관
이상기체의 내부에너지는 온도만의 함수
(2. 14a, 14b)
이상기체의 엔탈피는 온도만의 함수
※ 이상기체 온도변화
,
∴ (2.17)
문제) 와 사이의 관계
는 calcite와 aragonite의 두 가지 형태로 존재할 수 있다. 1 몰의 calcite가 aragonite로 변환될 때 내부에너지가 0.21 kJ 만큼 증가한다. 이 두 고체의 밀도를 각각 2.71 gcm-3과 2.93 g cm-3으로 놓고, 이 변화가 1 bar에서 일어날 때의 엔탈피 변화와 내부에너지 변화 사이의 차를 계산하라.
풀이)
∴
문제) 엔탈피 변화의 계산
1.0 atm의 압력하에서 물을 가열하여 끓게 하였다. 이 물과 접하고 있는 저항을 통해서 12 V의 전원으로부터 0.50 A의 전류를 300 s 동안 흘려보냈더니 0.798 g의 물이 증발하였다. 끓는점(373.15 K)에서의 몰 내부에너지 변화와 몰 엔탈피 변화를 계산하여라.
풀이)
문제) 엔탈피의 온도 의존 계산
를 25℃로부터 100℃로 가열하면 그 몰 엔탈피가 얼마나 변하겠느냐?
단, 의 몰 열용량은 다음과 같다.
풀이)
문제) 단원자 이상기체 1몰이
가) 1bar와 273.15K에서 0.315bar까지 가역단열팽창됨.
나) 1bar와 273.15K에서 0.315bar 일정압력하 (비가역) 단열팽창하여 최종 압력 0.315bar됨.
다) 1bar와 273.15K에서 0.315bar 일정압력하 (비가역) 단열팽창하여 부피 2배됨.
** (1)
(2)
가)
이상기체상태방정식 을 적용하면
(3)
(, , 단원자분자)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
( )
나)
(9)
(10)
(11)
(12)
(12)식에 이상기체상태방정식 을 적용하면
(13)
(14)
또한 (13)식에
(15)
(16)
(17)
(18)
다)
(9)‘
(10)‘
(11)‘
(12)‘
(6)식에 이상기체상태방정식 을 적용하면
(13)‘
(14)‘
bar
등온 :
가역단열 : ( )

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