물리화학 및 열역학 ( 제 1 강 ) 강원대학교 공학대학 신소재공학과 담당교수 : 신 순 기.

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1 물리화학 및 열역학 ( 제 1 강 ) 강원대학교 공학대학 신소재공학과 담당교수 : 신 순 기

2 물리화학 및 열역학에서 무엇을 배우는가 ? 화학 열역학 : 열, 일에 관계되는 사항 화학 동력학 : 반응속도, 생성기구에 관계되는 사항 이론화학 : 분자, 원자의 성질 설명을 위한 수학적 모델의 공 식화에 관계되는 사항 분광학 : 물질과 전자기 복사선과의 상호작용에 관계되는 사항

3 물리화학 및 열역학의 기초지식 1 에너지 ? 일 ? 열 ? 열역학의 기본변수 ? 물리화학 및 열역학의 기초지식 1

4 에너지 (Energy) 란 ? 일을 할 수 있는 능력 물체가 갖는 전체 에너지 물체가 그 위치 때문에 갖는 에너지 = 운동에너지 (Kinetic energy, Ek)+ 퍼텐셜에 너지 (potential energy, Ep) Ek =(1/2)mv 2 Ep=mgh ( 해수면으로부터 높이 h 에 위치하는 질량 m 인 물체에 작용하는 퍼텐설에 너지 ( 중력퍼텐셜에너지 ) 물체의 전체에너지 = Ek+Ep 물리화학 및 열역학의 기초지식 2

5 에너지 관련지식 물체가 가지는 에너지는 외부로부터 에너 지가 공급 ( 또는 제거 ) 되지 않는 한 일정하 다 ( 에너지 보존법칙 ) 에너지는 소멸도 생성도 되지 않음 이동, 형태변화 가능 ( 에너지 변화량이 일 또는 열로 나타남 ) 물리화학 및 열역학의 기초지식 3

6 일 (Work, W): 대립하는 힘에 맞선 운동 예 : 바닥의 저항에 맞서서 물체를 밀어서 운 동시키는 것 일의 량 = 맞선 힘 (-F)× 이동한 거리 (dz) W=(-F) ㆍ (dz) - 를 붙이는 이유 : 물체에 작용하는 힘이 대립하는 힘과 방향이 반대이기 때 문 물체의 이동 : 계의 내부에너지는 일한 만큼 에너지가 감소함 ( 다른 변화가 수반되지 않을 경우 ) 물리화학 및 열역학의 기초지식 4

7 힘 (force, F)= 질량 (m)× 가속도 (a) ( 속도가 일정할 경우 (Newton 의 고전역학 )) 힘은 크기와 방향을 가짐 작용하는 방향은 화살표를 일반적으로 이 용 힘의 값은 방향에 따라 크기에 양 (+) 또는 음 (-) 의 부호를 붙임 단위 : kg ⅹ m/s 2 = kgms -2 =N 물리화학 및 열역학의 기초지식 5

8 압력 (Pressure, P): 힘의 세기 성질을 나타 내는 것 ( 단위면적당에 작용하는 힘 ) = 전체면적에 작용하는 힘 / 힘이 작용하는 전체 면적 P=F/A N/m 2 =kgms -2 m -2 =kgm -1 s -2 =Pa 물리화학 및 열역학의 기초지식 6

9 팽창일 (expansion work): 거리이동이 아닌 부피변화에 의하여 일어나는 일 화학반응 : 기체의 생성, 소모에 따른 부피변 화가 일어나 그에 따른 에너지 변화가 수반 됨 W=-F∙dz=-P∙A∙dz 팽창일 =-P ex ∙ △ V 물리화학 및 열역학의 기초지식 7 면적 A 에 높이변화 dz 를 곱하면 부피변화 △ V 가 되고 팽창은 외부 압력 (P ex ) 에 맞서는 부피변화에 의한 일 ( 팽창일 ) 은 이와 같은 식으로 표시됨

10 열 (heat, q): 온도차이에 의하여 에너지가 이 전 ( 이동 ) 되는 한 형태 ( 흐름 ) 열용량 (heat capacity, C): 물질이 열을 담을 수 있는 능력 온도가 서로 다른 물체 간에 이전되는 에너지 의 량 q 는 각 물질 고유의 성질임 q=C △ T 물리화학 및 열역학의 기초지식 8

11 열용량의 종류 비열용량 ( 비열 ), Co: 질량으로 나눈 값 C/m 몰열용량, Cm: 물질의 몰수로 나눈 값 C/n 열용량은 온도에 비례하나 실온이상에서는 온도에 따른 변화량 무시가능

12 열역학의 기본 변수

13 제 1 장 서론 및 기본개념 계 (system) 상 (phase): 계의 일부분 과정 (process): 계의 상태 변화 가역과정 : 과정이 무한히 느린 속도로 진행되는 과정 비가역과정 : 평형상태를 벗어난 과정 단위 (unit)

14 1. 계 (system) 경계 (boundary) 주위 (surrounding) 계 : 조사의 대상으로 되어 있는 물리적인 세계의 일부분, 즉, 논의의 대상이 되는 물질. 경계 : 계와 주위의 사이. 주위 : 계 이외의 세계. 고립계 (isolated system) : 주위와 상호작용이 없는 경우 Open system : 경계를 통하여 물질이 드나들 수 있는 경우, 에너지 출입도 가능. Closed system : 경계를 통하여 물질과 에너지 출입이 불가능한 경우

15 에너지

16 계 주위 경계

17 반응용기 : 경계 반응물질 계 항온조 : 주위 닫힌계의 모식적 설명 ( 물질이동 없음, 열에너지 출입 가능 )

18 2. 계의 성질 정의 : 감각으로 알아내거나 또는 어떤 실험 적인 방법으로 감지할 수 있는 물리적인 성 질  크기성질 ( 크기변수 ): 량 ( 크기 ) 에 의존하는 것. 표 1.1 참조 2) 세기성질 ( 세기변수 ): 량 ( 크기 ) 에 무관한 것.

19 3. 계의 3. 계의 상태 계의 모든 성질이 일정한 값을 가질 때, 그 계는 일정한 상태에 있다고 말함 3. 계의 3. 계의 상태 계의 모든 성질이 일정한 값을 가질 때, 그 계는 일정한 상태에 있다고 말함  독립변수 (independent variable)  종속변수 (dependent variable)

20 상태의 변화 (change in state) (change in state) 경로 (path) 경로 (path) 순환 (cycle) 순환 (cycle) 상태의 변화 (change in state) (change in state) 경로 (path) 경로 (path) 순환 (cycle) 순환 (cycle)

21 4. 상태변수, 상태방정식 1) 상태변수 (state variable) : 계의 상태를 특징짓는 변수 ( 질량, 부피, 온도, 압력 ) ( 질량, 부피, 온도, 압력 ) 2) 상태방정식 상태변수의 상호관련을 나타내는 식⇒ 상태변수의 상호관련을 나타내는 식⇒ 질량, 부피, 온도, 압력의 관계식 질량, 부피, 온도, 압력 의 관계식 PV=nRT: 이상기체의 법칙 PV=nRT: 이상기체의 법칙 4. 상태변수, 상태방정식 1) 상태변수 (state variable) : 계의 상태를 특징짓는 변수 ( 질량, 부피, 온도, 압력 ) ( 질량, 부피, 온도, 압력 ) 2) 상태방정식 상태변수의 상호관련을 나타내는 식⇒ 상태변수의 상호관련을 나타내는 식⇒ 질량, 부피, 온도, 압력의 관계식 질량, 부피, 온도, 압력 의 관계식 PV=nRT: 이상기체의 법칙 PV=nRT: 이상기체의 법칙

22 5. 상태변수의 분류 1) 크기성질 (extensive property) 2) 세기성질 (intensive property) 5. 상태변수의 분류 1) 크기성질 (extensive property) 2) 세기성질 (intensive property) 크기성질 : 계의 크기 ( 량 ) 에 그 값이 좌우되는 성질 질량, 부피, 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피 세기성질 : 계의 크기 ( 량 ) 에 무관한 성질 압력, 온도, 밀도, 융점, 표면장력, 응고점

23 6. 상태함수 (state function): 경로에 무관하고 처음상태와 최종상태에만 좌우되는 함수 크기성질들이 모두 여기에 해당됨

24 7. 평형상태 (equilibrium state) 외관상으로 정지된 상태 온도, 압력이 일정해야 함 계 내부에 존재하는 화학 종의 세기가 계 내의 어디에서나 일정하여야 함. 계의 성질이 시간에 따라 변하지 않고 유량이 없는 상태, 즉 계를 통한 열흐름이 없는 상태.

25 8. 계의 상태변화 : 과정 가역과정 (reversible process) : 평형과정 비가역과정 (irreversible process) : 비평형과정 등압과정, 등적과정, 등온과정 등

26 용어정리 상 : 모든 상태성질 들이 전 영역에 걸쳐 균일한 값을 갖는 물리적인 계 내의 유한 영역 상태도 : 계에 존재하는 여러 가지 상사이의 평형상태를 둘 이상의 독립변수들의 함수로 도시한 것 균일 : 계에 한가지 상만이 존재할 때 불균일 : 계에 둘 이상의 상이 들어 있을 때

27 10. 단위 (unit)1 기본단위 : 길이, 질량, 시간, 온도 등 유도단위 : 힘, 압력, 열량 등 질량단위 (mass) : 측정장소 의존성 없음 kg 무게단위 (weight) : 질량 중력가속도 kgf

28 단위 (unit)2 CGS 단위 : 길이 (cm), 질량 (g), 시간 (s) MKS 단위 : 길이 (m), 질량 (kg), 시간 (s) SI 단위 : 기본단위 MKS 단위 + 전류 (A), 온도 (K), 량 (mole), 광도 (cd) 보조단위 라디안 (rad), 스테라디안 (sr) FPS 단의 : 길이 (ft), 질량 (lb), 시간 (s)

29 온실가스 이야기 1 온실가스의 종류 : 이산화탄소, 메탄, 아산 화질소, 수소화불화탄소, 불화탄소, 불화유 황 등 프레온가스, 오존 등 도 포함됨 영향이 제일 큼 CO 2 : 양이 많아서 문제, 국내 온실가스의 88.6%, 온실효과의 45-55% 유발

30 온실가스 이야기 2 온실가스가 지구를 덥게 하는 원리 ( 과정 ) 지구는 태양에너지 ( 빛 ) 를 받아 파장이 긴 적외선을 방출함 이산화탄소는 적외선 파장을 일부 흡수함 이산화탄소 내의 탄소분자가 들뜨게 됨 안정상태를 유지하기 위해 에너지를 방출 함 그 결과 지구는 더워짐