열역학적 상태

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1. 개요
2. 열역학적 상태의 정의
- 2.1. 기본 열역학적 변수
- 2.2. 상태 함수
3. 열역학적 경로
4. 평형 상태
- 4.1. 평형의 종류
5. 한국의 열역학 응용
6. 참고 문헌
참조

1. 개요

열역학적 상태는 열역학적 계의 특성을 나타내는 변수들의 집합으로 정의된다. 주요 변수로는 온도, 압력, 부피, 조성이 있으며, 이 외에도 내부 에너지, 엔탈피, 엔트로피 등 상태 함수로 특징지어진다. 열역학적 상태는 이상 기체의 경우 물질량, 압력, 온도, 부피 중 세 변수로 표현되며, 열역학적 도표를 통해 상태 간의 전이를 모델링한다. 열역학적 평형 상태는 열적 평형, 기계적 평형, 상 평형, 화학적 평형 등 여러 유형의 평형 조건이 동시에 충족될 때 도달한다.

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열역학적 상태
정의
설명	열역학에서, 열역학적 상태는 열역학적 계의 거시적 성질들의 집합으로, 이 성질들은 계의 현재 상태를 결정하며, 과거 이력이 어떻든 간에 결정된다. 이러한 성질들은 열역학적 변수라고도 한다.
상세 설명	계의 열역학적 상태는 그 계의 상태 변수들의 값으로 특정될 수 있다. 상태 변수들은 계의 평형 상태에서만 정의된다. 비평형 상태는 시간에 따라 변하며, 전체적으로 균일하지 않기 때문이다. 계의 열역학적 상태를 설명하는 데 필요한 상태 변수의 수는 계의 특성에 따라 달라진다. 예를 들어, 순수한 기체의 상태는 이상 기체 법칙을 사용하여 온도, 압력, 부피와 같은 두 개의 상태 변수로 설명할 수 있다.
표현 방법	열역학적 상태는 상태 방정식을 사용하여 수학적으로 표현될 수 있다. 상태 방정식은 상태 변수들 사이의 관계를 나타내는 방정식이다. 예를 들어, 이상 기체의 상태 방정식은 다음과 같다.
상태 함수	열역학적 상태는 상태 함수에 의해 결정된다. 상태 함수는 계의 초기 및 최종 상태에만 의존하고, 그 상태에 도달하는 경로에는 의존하지 않는 함수이다. 일반적인 열역학적 상태 함수는 다음과 같다.
상태 함수 목록	내부 에너지 ( $U$ ) 엔탈피 ( $H$ ) 엔트로피 ( $S$ ) 깁스 자유 에너지 ( $G$ ) 헬름홀츠 자유 에너지 ( $A$ )
활용	열역학적 상태는 다양한 열역학적 과정과 현상을 설명하고 예측하는 데 사용된다. 예를 들어, 열기관의 효율, 화학 반응의 평형 상수, 물질의 상전이 등을 계산하는 데 사용할 수 있다.

2. 열역학적 상태의 정의

열역학적 시스템은 상태 변수 집합으로 식별할 수 있다. 주어진 화학적 구성을 가진 물체의 경우, '부피와 압력'과 같은 일반적인 물리량으로 열역학적 상태를 정의할 수 있다.^[1]

열역학적 시스템의 초기 상태에서 최종 상태로의 경과는 열역학적 과정으로 알려져 있으며, 일반적으로 시스템과 주변 사이의 물질 또는 에너지 전달을 의미한다.^[1]

다양한 열역학적 도표가 열역학적 상태 간의 전이를 모델링하기 위해 개발되었다.^[1]

2. 1. 기본 열역학적 변수

'''온도(''T'')'''는 계 내 입자들의 평균 운동 에너지를 나타낸다. 이는 계가 얼마나 뜨겁거나 차가운지를 나타내는 척도이다.
'''압력(''P'')'''은 계의 입자들이 용기 벽의 단위 면적에 가하는 힘이다.
'''부피(''V'')'''는 계가 차지하는 공간을 의미한다.
'''조성'''은 두 개 이상의 성분으로 이루어진 계(예: 혼합물)의 각 성분별 양을 정의한다.

2. 2. 상태 함수

열역학적 시스템은 다양한 방식으로 식별하거나 설명할 수 있는데, 가장 직접적으로는 적절한 상태 변수 집합으로 식별할 수 있다. 덜 직접적으로는 상태 변수와 상태 함수를 포함하는 적절한 양의 집합으로 설명할 수 있다.

물질의 열역학적 상태를 원래 식별하는 직접 측정 가능한 일반적인 물리 변수 외에도, 시스템은 '''상태 함수'''(즉, 상태 변수, 열역학적 변수, 상태량 또는 상태의 함수라고도 함)라는 추가적인 양으로 특징지어진다. 이는 원래의 상태 변수에 의해 식별된 열역학적 상태에 의해 고유하게 결정된다. 이러한 상태 함수에는 내부 에너지, 엔탈피, 헬름홀츠 자유 에너지, 깁스 자유 에너지, 열역학적 온도, 엔트로피 등이 있다. 주어진 화학적 구성을 가진 주어진 물체의 경우, 압력과 부피로 열역학적 상태가 완전히 정의되면 온도는 고유하게 결정된다. 열역학적 온도는 특별히 열역학적인 개념인 반면, 원래 직접 측정 가능한 상태 변수는 열역학적 개념을 참조하지 않고 일반적인 물리적 측정으로 정의된다. 이러한 이유로 열역학적 온도를 상태 함수로 간주하는 것이 도움이 된다.

어떤 열역학적 과정에서든, 경로 중에 어떤 중간 조건이 있든 간에, 각 열역학적 상태 변수의 값의 총 변화는 초기 및 최종 상태에만 의존한다. 이상화된 연속 또는 준정적 과정의 경우, 이는 이러한 변수의 미소 증분 변화가 완전 미분임을 의미한다.

가장 일반적으로 인용되는 간단한 예인 이상 기체에서 열역학적 변수는 물질량, 압력, 온도, 부피 중 임의의 세 변수가 된다. 따라서 열역학적 상태는 3차원 상태 공간에서 변화한다. 나머지 변수뿐만 아니라 내부 에너지 및 엔트로피와 같은 다른 양은 이러한 세 변수의 상태 함수로 표현된다. 상태 함수는 열역학 법칙으로 표현되는 특정 보편적 제약을 충족하며, 구체적인 시스템을 구성하는 물질의 특성에 따라 달라진다.

3. 열역학적 경로

어떤 계가 한 상태에서 다른 상태로 변화할 때, 그 계는 경로를 거친다고 말한다. 경로는 등온(일정 온도) 또는 등압(일정 압력) 경로와 같이 성질이 어떻게 변하는지에 따라 설명할 수 있다.^[1]^[2]^[3]

4. 평형 상태

자연에서 발견되는 물리적 시스템은 실제로 항상 동적이고 복잡하지만, 많은 경우 거시적인 물리적 시스템은 이상적인 조건에 근접하여 설명할 수 있다. 그러한 이상적인 조건 중 하나가 안정적인 평형 상태이다. 이러한 상태는 고전 또는 평형 열역학의 기본적인 대상이며, 열역학적 상태라고 불린다. 많은 관찰을 바탕으로 열역학은 외부 환경으로부터 격리된 모든 시스템이 고유한 안정 평형 상태에 접근하도록 진화할 것이라고 가정한다.

4. 1. 평형의 종류

자연에서 발견되는 물리적 시스템은 실제로 항상 동적이고 복잡하지만, 많은 경우 거시적인 물리적 시스템은 이상적인 조건에 근접하여 설명할 수 있다. 그러한 이상적인 조건 중 하나가 안정적인 평형 상태이다. 이러한 상태는 고전 또는 평형 열역학의 기본적인 대상이며, 열역학적 상태라고 불린다. 많은 관찰을 바탕으로 열역학은 외부 환경으로부터 격리된 모든 시스템이 고유한 안정 평형 상태에 접근하도록 진화할 것이라고 가정한다. 여러 가지 유형의 평형이 있으며, 이는 다양한 물리적 변수에 해당하며, 시스템은 모든 관련 유형의 평형 조건이 동시에 충족될 때 열역학적 평형에 도달한다. 몇 가지 다른 유형의 평형은 다음과 같다.

'''열적 평형''': 시스템 전체의 온도가 균일할 때, 시스템은 열적 평형 상태에 있다.
'''기계적 평형''': 주어진 시스템 내의 모든 지점에서 시간에 따라 압력의 변화가 없고 물질의 이동이 없을 경우, 시스템은 기계적 평형 상태에 있다.
'''상 평형''': 개별 상(phase) 각각의 질량이 시간에 따라 변하지 않는 값에 도달할 때 발생한다.
'''화학적 평형''': 화학적 평형에서 시스템의 화학적 조성이 안정되어 시간에 따라 변하지 않는다.

5. 한국의 열역학 응용

(빈 문서)

6. 참고 문헌

Bailyn, M. (1994). 《열역학 개론》. 미국 물리학회 출판. 뉴욕. ISBN 0-88318-797-3.
콜렌, H.B. (1960/1985). 《열역학 및 열통계학 입문》 (초판 1960, 제2판 1985). 와일리. 뉴욕. ISBN 0-471-86256-8.
Carathéodory, C. (1909). 열역학 기초 연구. 《수학 연보》, '''67'''(3), 355–386. [https://zenodo.org/record/1428268/files/article.pdf 번역본].
Eu, B.C. (2002). 《일반화된 열역학. 비가역 과정의 열역학 및 일반화된 유체역학》. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. ISBN 1-4020-0788-4.
제인스, E.T. (1965). 깁스 대 볼츠만 엔트로피. 《Am. J. Phys.》, '''33''', 391–398.
Marsland, R. Ⅲ, Brown, H.R., Valente, G. (2015). [https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.4914528 공리적 열역학에서의 시간과 비가역성]. 《Am. J. Phys.》, '''83'''(7), 628–634.
플랑크, M. (1923/1927). 《열역학 논문》 (A. Ogg 번역, 제3판 영어판). 롱맨, 그린 앤 코.. 런던.
프리고진, I., Defay, R. (1950/1954). 《화학 열역학》. 롱맨스, 그린 & 코. 런던.
티서, L. (1966). 《일반화된 열역학》. M.I.T. 출판. 케임브리지 MA.
제만스키, M.W., Dittman, R.H. (1937/1981). 《열과 열역학. 중급 교재》 (제6판). McGraw-Hill Book Company. 뉴욕. ISNM 0-07-072808-9.

참조

_[1] 서적
_[2] 서적
_[3] 논문
_[4] 서적
_[5] 서적
_[6] 서적
_[7] 서적
_[8] 논문

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