18. 잠재에너지

열역학

PART 18. 물질의 잠재에너지 Chemical Potential

닫힌 계 : 계의 경계를 통한 물질의 이동이 X

열린 계 : 물질의 출입이 가능

따라서, 닫힌 계에 포함되어 있는 물질의 물성과 에너지는

그 계를 구성하는 성분의 변화 없이 온도와 압력 등의 변화에만 의존한다.

열린 계에서는 온도, 압력과 더불어

계를 출입하는 여러 물질들의 절대량에 따라 물성, 에너지가 변화한다.

T, P 변화는 상태 방정식을 통하여 계산한다.

계의 T, P가 일정 유지되는 상황에서

임의의 물질이 계로 추가 되거나 제거되는 경우가 발생한다.

즉, 계의 조성이 변화

이럴 경우 계 전체의 에너지 변화를 나타내기 위해 도입한 개념이 잠재 에너지이다.

여기서 T,P가 일정하면,

   -----   ㉠

   -----   ㉡

㉠, ㉡식을 비교하면, 

깁스는 를 i 성분에 대한 물질의 잠재에너지라고 불렀다.

위 그림과 같이 혼합물 계에서

T, P가 일정하고 i 성분을 제외한 나머지 성분들의 질량이 일정하다고 하자.

1몰의 u성분이 투입된다면, 그에 따라 혼합물 계 전체의 깁스에너지가 변화하게 될 것이다.

이때, 변화하는 계 전체의 깁스에너지 양이 i 성분의 잠재에너지가 된다.

즉, 혼합물 전체의 깁스에너지 변화량을 추가된 성분의 절대량으로 나눈 값이

그 추가된 물질의 잠재 에너지가 되는 것이다.

그러므로, 물질의 잠재에너지란 결국 어떤 물질의 단위 질량당 혹은 단위 몰당 가지는 깁스에너지와 같다고 할 수 있다.

But, 다음 두 가지의 경우 물질의 깁스에너지와 잠재에너지는 항상 같지만은 않다는 것을 알 수 있다.

순수한 물질로 구성된 계에 대한 잠재에너지를 생각해보자.

EX)

순수성분 A로만 구성된 계가 있다고 할 때,

계의 T,P는 일정한 상태에서 같은 A 성분 1몰이 추가된다면?

그 결과, 이 계의 총 깁스 에너지는 추가된 1몰의 A로 인해 증가

그리고 그 증가된 깁스 에너지 양은 A성분 1몰이 순수한 상태로 존재 할 때 가지고 있던 G의 양과 동일

∴ 이 경우 잠재에너지의 정의에 의해 성분 A의 잠재 에너지는 그 성분의 G와 동일

다시 말해, 어떤 물질이 순수한 상태로 존재하는 경우,

그 물질의 잠재 에너지는 그 성분 단위 몰이 보유하고 있는 깁스에너지와 동일

반면, A성분을 포함한 여러 가지 성분으로 구성된 혼합물 계가 있다고 하자.

여기에, T,P 동일 다른 성분의 양도 동일한 상태에서 A성분 1몰이 추가

그 결과, 이 혼합물의 총 깁스 에너지는 증가

이 경우에 깁스 에너지가 증가한 양은 순수한 상태의 A 1몰이 가지고 있는 깁스 에너지와는 같지 않다.

∵ A가 혼합물에 가해지면 다른 성분이 A에 영향을 줘서 A의 깁스 에너지가 순수한 상태로 있을 때와는 달라짐

즉, 순수 상태에너지는 혼합물 일 때 갖는 에너지와는 다르다.

물질의 잠재 에너지는 순수한 상태에 있지 않고, 다른 물질과 혼합된 상태에서 가지고 있는 에너지를 나타낸다.

결론적으로, 물질의 잠재 에너지란 어떤 성분이 혼합물 상에 존재 할 때, 그 성분이 가지는 깁스에너지를 말한다.

궁극적으로, 물질의 잠재에너지에 대한 개념은 혼합물 계에서 두 개 이상의 상이 평형 상태 일 때 사용

물질의 잠재 에너지는 물질의 이동을 유발하는 추진력을 나타내는 개념

(열의 이동의 추진력은 온도차, 유체의 흐름의 추진력은 압력차 등과 유사)

어느 한 물질의 잠재에너지가 두 상에서 다르면, 그 물질은 잠재 에너지가 큰 상에서 작은 상으로 이동

가 동일해지면, 물질의 이동은 중단되고 평형에 도달

이와 같이, 물질의 는 상평형 계에서 물질의 이동 여부를 결정하는 기준으로 사용된다.

그러므로 온도, 압력, 잠재에너지 이 세가지 물성은

각각 열, 유체, 물질의 이동과 그에 대한 평형 상태를 결정하는 독립 변수로서 유사성을 가진다.

상평형의 조건?

두 상이 평행이라면 가 성립

실제로 상평형 계산을 위해서는 주어진 개별 상에 대한 의 방정식을 T,P,조성의 함수로 표시해야한다.

그리고 위 식에 근거하여 방정식의 해를 구하면 그 결과가 평형 시 상태를 나타내게 된다.

잠재에너지는 물질의 압력(Chemical pressure)라고 부르기도 한다.

물질의 이동에는 압력 차이가 필요하다.