개념 한 쪽
열역학에서 시스템의 에너지를 다루려면 닫힌계와 열린계를 구분해야 한다는 점을 이해한다. 엔탈피와 내부에너지는 정의와 조건에 따라 열과 일의 대응이 달라지므로 상황에 맞는 상태량을 선택해야 한다고 인식한다.
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출제기준 단원 「닫힌계와 열린계」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열역학 식의 진위 판단 | 1 | 엔탈피 정의 등 기본 식의 옳고 그름을 가리기 |
| 이상기체의 내부에너지 성질 판단 | 1 | 이상기체에서 내부에너지와 온도의 관계를 설명하기 |
| 닫힌계의 정압 열전달 판정 | 1 | 일정압력 닫힌계에서 열량과 엔탈피의 등가를 적용하기 |
닫힌계는 질량 교환이 없는 계로 정의되며 계 내부의 물질량은 일정하다고 본다. 이 경우 엔탈피(H)와 내부에너지(U) 같은 열역학적 상태함수의 정의와 사용 조건을 명확히 할 필요가 있다. 엔탈피는 H = U + PV로 정의되며 상태함수이므로 경로에 무관하게 값을 갖는다고 설명한다.
정압 과정에서는 엔탈피 변화가 계가 흡수하거나 방출한 열량과 같으므로 ΔH = Q(정압)가 성립한다고 말한다. 반대로 정적 과정(정적은 문제 재료상 '부피 일정'을 의미함)에서는 부피 일이 없으므로 전달된 열량은 내부에너지 변화와 일치하여 ΔU = Q(정적) 관계가 성립한다고 설명한다.
이상기체 모델에서는 분자 간 상호작용을 무시하므로 내부에너지와 엔탈피가 오직 온도의 함수가 된다고 정리한다. 따라서 이상기체의 U(T), H(T) 특성은 온도가 같으면 압력이나 부피가 달라도 동일한 값을 가지므로 열역학 문제에서 중요한 단순화를 제공한다고 밝힌다.
상태함수와 과정함수의 구별을 강조한다. 상태함수는 초기와 최종 상태로 값이 결정되는 물리량이고, 일과 열은 경로에 의존하는 과정함수이므로 상태함수로 분류할 수 없다고 설명한다.
예시 1) 일정압력의 가역 닫힌계에서 전달된 열량 Q는 엔탈피 변화 ΔH와 같다는 점을 식으로 보이면 다음과 같다. 열역학 제1법칙과 일의 정의를 결합하여 ΔH = ΔU + Δ(PV) = Q(정압)으로 정리할 수 있음을 보인다.
예시 2) 이상기체의 경우 내부에너지 변화는 온도 변화만으로 결정되므로 dU = C_v dT, 정압 과정에서 엔탈피 변화는 dH = C_p dT로 표현된다는 관계를 제시한다. 이 식들은 정압 또는 정적 조건을 주어진 상황에 대입하여 문제를 풀 때 유용하다고 설명한다.
다음 열역학식 중 틀린 것은? (단, H : 엔탈피, Q : 열량, P : 압력, V : 부피, G : 깁스에너지, S : 엔트로피, W : 일)
정답 ① · 문제는 주어진 열역학식들 중에서 정의에 맞지 않는 식을 찾는 것이다. 엔탈피의 정의는 H = U + PV이므로 H를 Q와 연결한 식 H = Q - PV는 틀리다.
엔탈피의 정의는 H = U + PV이므로, H = Q - PV는 틀린 식이다.
비흐름 가역과정에서 압축(또는 수축)에 의한 일이 없다고 가정할 때 이상기체의 내부에너지에 관한 설명으로 옳은 것은?
정답 ② · 문항은 이상기체의 내부에너지가 어떤 상태변수에만 의존하는지를 묻는다. 이상기체는 분자간 상호작용이 없다고 가정하므로 내부에너지는 분자의 운동에너지에만 의존하고 이는 온도 함수이다(Joule의 법칙).
이상기체의 내부에너지는 분자 간 상호작용이 없으므로 온도에만 의존한다.
열역학 기초에 관한 내용으로 옳은 것은?
정답 ① · 문항은 열역학 기초 설명 중 옳은 것을 묻고 있다. 이상기체의 경우 분자간 인력이 무시되므로 엔탈피는 온도에만 의존하므로 '엔탈피는 온도만의 함수'가 옳다.
이상기체의 엔탈피는 분자 간 상호작용이 없어 온도의 함수일 뿐이며, 이는 열역학 기본 성질이다.
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