열화학
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1. 개요
열화학은 화학 반응 및 상 변화와 관련된 열의 변화를 연구하는 학문이다. 열역학 제1법칙 이전에 라부아지에와 라플라스의 법칙, 헤스의 법칙과 같은 개념들이 제시되었으며, 조지프 블랙은 잠열 개념을 도입했다. 열량 변화는 열량계를 사용하여 측정하며, 계의 종류에 따라 열역학적 정의가 달라진다. 열역학적 과정은 계의 상태 변화와 관련 있으며, 등온 과정, 등압 과정, 단열 과정 등이 있다.
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| 열화학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 화학 반응 및/또는 물리적 변화와 관련된 열 에너지 연구 |
| 관련 학문 | 화학 열역학 |
2. 역사
열화학은 두 가지 일반화에 기초한다. 현대적인 용어로 설명하면 다음과 같다.[1]
- 라부아지에와 라플라스의 법칙 (1780): 어떤 변환을 수반하는 에너지 변화는 역과정을 수반하는 에너지 변화와 크기가 같고 부호가 반대이다.
- 헤스의 법칙 (1840): 어떤 변환을 수반하는 에너지 변화는 과정이 한 단계에서 일어나든 여러 단계에서 일어나든 동일하다.
이러한 명제들은 열역학 제1법칙 (1845)에 앞서 제시되었고, 그 공식화에 도움이 되었다.
조지프 블랙(Joseph Black)은 1761년에 얼음을 녹는점에서 가열하면 온도가 상승하지 않고 일부 얼음이 녹는다는 관찰을 바탕으로 잠열의 개념을 도입했다.[4] 구스타프 키르히호프(Gustav Kirchhoff)는 1858년에 반응열의 변화는 생성물과 반응물 사이의 열용량 차이로 주어짐을 보였다.[5][6]
2. 1. 라부아지에와 라플라스의 법칙 (1780)
앙투안 라부아지에와 라플라스는 1780년에 어떤 변환을 수반하는 에너지 변화는 역과정을 수반하는 에너지 변화와 크기가 같고 부호가 반대라는 법칙을 제시하였다.[2]2. 2. 헤스의 법칙 (1840)
헤스의 법칙 (1840): 어떤 변환을 수반하는 에너지 변화는 과정이 한 단계에서 일어나든 여러 단계에서 일어나든 동일하다.[3]이 명제들은 열역학 제1법칙 (1845)에 앞서 제시되었고, 그 공식화에 도움이 되었다.
헤스는 비열과 잠열에 대해서도 조사했다.
2. 3. 열역학 제1법칙과의 관계
라부아지에와 라플라스의 법칙 (1780)과 헤스의 법칙 (1840)은 열역학 제1법칙 (1845)보다 먼저 제시되었으며, 열역학 제1법칙 공식화에 기여했다.[1] 이 두 법칙의 내용은 다음과 같다.# 라부아지에와 라플라스의 법칙 (1780): 어떤 변환을 수반하는 에너지 변화는 역과정을 수반하는 에너지 변화와 크기가 같고 부호가 반대이다.[2]
# 헤스의 법칙 (1840): 어떤 변환을 수반하는 에너지 변화는 과정이 한 단계에서 일어나든 여러 단계에서 일어나든 동일하다.[3]
2. 4. 조지프 블랙과 잠열
조지프 블랙(Joseph Black)은 1761년에 얼음을 녹는점에서 가열하면 온도가 상승하지 않고 일부 얼음이 녹는다는 관찰을 바탕으로 잠열의 개념을 도입했다.[4]2. 5. 구스타프 키르히호프의 업적 (1858)
구스타프 키르히호프는 1858년에 반응열의 변화가 생성물과 반응물 사이의 열용량 차이로 주어진다는 것을 보였다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.[5][6]: dΔH / dT = ΔCp
이 식을 적분하면 한 온도에서의 반응열 측정값으로부터 다른 온도에서의 반응열을 추정할 수 있다.[10][11]
3. 열량 측정 (Calorimetry)
열변화 측정은 밀폐된 용기 내에서 열량 측정을 통해 수행된다. 온도계나 열전대로 온도를 측정하고, 이를 세로축에, 시간을 가로축에 그래프로 나타내어 기본량을 계산한다. 현대에는 시차주사열량계(DSC) 등 자동화된 장치가 사용된다.[1]
3. 1. 열량계 (Calorimeter)
열량 변화의 측정은 보통 변화가 일어나는 밀폐된 공간인 열량계를 사용하여 수행된다.[1] 열량계의 온도는 온도계 또는 열전대를 사용하여 측정되며, 온도를 시간에 따라 그래프로 나타내어 기본적인 양을 계산할 수 있다.[1] 현대의 열량계는 시차주사열량계와 같이 정보를 빠르게 읽어내는 자동 장치를 갖추고 있는 경우가 많다.[1]4. 열역학적 계 (Systems)
열화학에서 여러 열역학적 정의는 매우 유용하다. 계(system)는 연구 대상이 되는 우주의 특정 부분이다. 계 외부의 모든 것은 주위 또는 환경으로 간주된다. 열역학적 계에는 고립계, 닫힌계, 열린계 세 가지 종류가 있다.
- 고립계: 주위와 에너지나 물질을 교환할 수 없는 계이다.
- 닫힌계: 주위와 에너지는 교환할 수 있지만 물질은 교환할 수 없는 계이다.
- 열린계: 주위와 물질 및 에너지를 모두 교환할 수 있는 계이다.
4. 1. 고립계 (Isolated System)
고립계는 주위와 에너지나 물질을 교환할 수 없는 계이다. 단열된 폭탄 열량계가 그 예이다.4. 2. 닫힌계 (Closed System)
닫힌계는 주위와 에너지는 교환할 수 있지만 물질은 교환할 수 없는 계이다. '''비'''단열된 밀폐된 피스톤이나 풍선이 그 예이다. 닫힌계는 열적으로 고립된 계와 기계적으로 고립된 계로 구분할 수 있다.- 열적으로 고립된 계: 열이나 물질은 교환할 수 없지만, 기계적 일은 교환할 수 있는 계이다. 예를 들어 단열된 밀폐된 피스톤이나 풍선이 있다.
- 기계적으로 고립된 계: 기계적 일이나 물질은 교환할 수 없지만, 열은 교환할 수 있는 계이다. 예를 들어 비단열된 폭탄 열량계가 있다.[1]
4. 3. 열린계 (Open System)
열린계는 주위와 물질 및 에너지를 모두 교환할 수 있다. 끓는 물이 담긴 냄비가 그 예이다.[1]5. 열역학적 과정 (Processes)
계는 하나 이상의 성질이 변할 때 과정을 거친다고 하며, 과정은 상태 변화와 관련이 있다. 대표적인 열역학적 과정으로는 등온 과정, 등압 과정, 단열 과정 등이 있다.
5. 1. 등온 과정 (Isothermal Process)
등온 과정은 계의 온도가 일정하게 유지되는 과정이다.5. 2. 등압 과정 (Isobaric Process)
등압 과정은 계의 압력이 일정하게 유지되는 과정이다.[1]5. 3. 단열 과정 (Adiabatic Process)
열 교환이 일어나지 않는 과정을 단열 과정이라고 한다.참조
[1]
서적
A to Z of Thermodynamics
Oxford University Press
[2]
서적
Outlines of Theoretical Chemistry
https://archive.org/[...]
[3]
서적
General Chemistry
Prentice Hall
[4]
백과사전
Black, Joseph
[5]
서적
Physical Chemistry
Benjamin/Cummings
[6]
서적
Atkins' Physical Chemistry
W.H. Freeman
[7]
서적
ボール物理化学（上）
化学同人
[8]
서적
A to Z of Thermodynamics
Oxford University Press
[9]
서적
Outlines of Theoretical Chemistry
https://books.google[...]
[10]
서적
Physical Chemistry
Benjamin/Cummings
[11]
서적
Atkins' Physical Chemistry
W.H. Freeman
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