재료 열역학 -Phase Diagram의 비밀_첫번째 시간

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재료 열역학 - Phase Diagram의 비밀_첫번째 시간

안녕하세요~ 제가 즐거운 방학을 보내느라 연재가 늦어졌습니다. 오늘은 Gaskell 책의 1단원인 Introduction & Definition of Terms에 대한 얘기를 해 보고자 합니다. 여기서는 새로운(?) 개념 몇 가지를 설명하는 시간을 가지도록 할게요^^

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1. System(계)

열역학에서 얘기하는 system(계)는 컴퓨터의 시스템(윈도우?) 같은 것과 좀 다른 개념이죠~ 열역학에서 system(계)이란 우리가 열역학적 분석을 하려는 대상을 말합니다. 그런데 이건 절대적으로 정해져 있는 게 아니라 사람마다 정하기 나름이랍니다. 빈 지도에 국경 정하는 거랑 비슷해요. 열역학에서 우리가 하게 될 열역학적 분석이란 열이 빠져나가고 들어오고, 일을 주고 받고 하는 것을 분석하는 것입니다. 그러려면 안과 밖을 정해야 겠죠! 그게 바로 계를 정하는 겁니다. 빈 지도에 국경을 정해서 그 국가를 기준으로 사람들의 이동량을 계산하는 것과 비슷한 작업이죠. 그래서 예를 들자면, 기체가 들어있는 용기에 관심이 있다고 합시다. 그러면 기체만 계로 잡아도 되고, 용기만 계로 잡아도 되고, 기체와 용기를 함께 계로 잡아도 돼요. 우리가 알고 싶은 걸 계로 잡고 열과 일의 출입을 꼼꼼히 지켜보는 거랍니다.

2. State(상태)

상태는 일상적으로 우리가 쓰는 “상태”와 직관적으로 굉장히 비슷합니다. 우리가 사람을 볼 때 기쁜 상태, 슬픈 상태 이런 걸 따지듯이 계의 상태도 온도, 부피 등의 성질을 비교해서 따집니다. 상태는 두 가지로 나눠서 생각할 수 있는데, 하나는 microscopic state으로 이것은 계를 구성하는 입자들의 움직임과 위치, 속도, 질량 등의 정보를 다 앎으로써 결정되는 상태입니다. 다른 하나는 좀 더 이해하기 쉬운 개념으로 macroscopic state입니다. 이것은 온도, 부피 등 거시적으로 측정할 수 있는 각종 property(특성)들이 고정되어 있는 걸 말해요. 그런데 이 특성들은 서로 연관되어 있어요. 그래서 마치 x+y+z = 10일 때 x = 2, y=3이면 z = 5가 되는 것처럼 몇 가지의 특성이 고정되면 나머지는 자동으로 고정되죠! 음… 굳이 비유를 하자면 microscopic state는 반 아이들의 성적을 모두 알아서 상태를 결정하는 거고, macroscopic state은 그 반 아이들의 성적의 합으로 상태를 결정하는 거에요! 그래서 하나의 macroscopic state이라도 여러 microscopic state이 가능하답니다… 우리의 측정은 주로 macroscopic state겠..죠?

3. Ideal gas Equation(이상기체 상태 방정식)

위에서 말했듯이 property(특성)들이 서로 연관되어 있답니다. 다른 복잡한 시스템은 뒤에서 다루도록 하고 단일 상(phase) 단일 물질(pure)의 시스템을 생각해 봅시다. 이 경우는 부피(V), 압력(P), 온도(T) 의 3개의 property가 같으면 같은 상태가 된답니다. (물론 macroscopic입니다.) 그런데 이 중에 2개만 고정되면 하나는 결정됩니다. 즉 하나가 다른 두 개의 함수죠!! 특히 이상기체에서는 이 관계를 상당히 간단히 나타낼 수 있답니다. Boyle’s Law 에 의해서 계의 부피는 압력 P에 반비례합니다. 반면 Charles’ Law 에 의해 부피는 온도 T에 비례하죠. 아 참! 여기서 extensive property 와 intensive property 얘기를 먼저 할게요. P, T 처럼 물질의 양이 늘어난다고 해도 변화 없는 특성은 intensive property이고, V처럼 물질의 양이 늘어나면 그만큼 비례해서 늘어나는 특성은 extensive property에요! 우리는 보일과 샤를의 법칙으로 부터 PV/P = const를 알 수 있고, V가 extensive property 임을 고려하여 PV =nRT(n : 기체 몰 수, R : 기체 상수)의 유명한 식을 얻을 수 있습니다. 이것이 바로 Ideal gas eqn.이죠.

오늘 제가 많은 것을 알려 드리진 못한 것 같지만 앞으로 이 개념들이 상의 안정성을 판단하는 데 어떻게 응용될 것인지 잘 지켜봐주세요! 시시해 보여도 중요한 개념들이에요~ 1단원에 있지만 뒷 단원에서 더 자세히 나오는 state function이나 equilibrium 같은 개념은 일부러 생략했어요!! 두 번째 시간에 뵐게요!