[화학열역학] 자발적 과정 & 엔트로피와 열역학 제 2법칙

우리가 이전에 배웠던 여러 화학평형 공식에서요. 반응물이 생성물로 진행되는 것을 정반응,  생성물이였던 것이 반응물로 진행되는 것을 역반응이라 했었습니다.  

 

어떠한 경우는 정반응이 잘일어난다고 하면요. 그 때는 음~ 정반응이 자발적으로 진행되는거구나! 라고 받아들이시면 편합니다.  평소에는 A->B가 딱히 어떤 조치를 취해주지 않아도 잘 일어난다. 이게 자발적 과정이라 했는데

 

B->A라는 반응을 일으키고 싶어요. 그러면 우리가 어떠한 조치를 취해줘야하겠죠? 이걸 비자발적 과정이라고 합니다.

사실 지구 상에서 존재하는 실제 과정들은 비가역적입니다. 모든 자발적 과정은 비가역적이에요. 

 

쉬운 예를 들어볼게요. 얼음을 상온에 있다고합시다. 우린 아무짓도 안했어요 그냥 얼음만 지켜보는겁니다. 근데 상온에 놓인 얼음은 천천히 물로 상변화가 일어나겠죠? 이 과정은 누가봐도 자발적 과정입니다. 갓난애기도 자바뗘꽈정! 이런다구요.  근데 상온인 상태에서 물이 얼음으로 갑자기 되돌아갑니까? 아니죠? 해리포터도 아니구요. 

 

이 정도면 이제 대충 감이 잡히셨으리라 생각됩니다.  이는 조만간 다룰 깁스 프리에너지를 설명하는 개념이 됩니다.

 

이제 엔트로피의 정의를 보겠습니다.

엔트로피는 '무질서도'를 의미합니다. 그러면 여기서 간단한 질문. 고체,액체,기체 중에서 무질서도가 가장 큰 녀석은 누구인가요?  기체죠? 갓난애기도 기뗴! 이런다구요. 엔트로피의 변화율은  엔탈피를 절대온도로 나눈값과 같습니다. 

 

사실 이 단원에서 엔트로피에 대한 계산문제가 나온다기 보단 어떠한 경우에 엔트로피가 증가하느냐? 이런걸 묻습니다. 즉, 무질서도가 증가하는 경우가 언제냐? 이걸 묻는것이죠.  뭐 간단합니다. 아래 적어드린거 외우시면 됩니다.

1) 기체 상으로 진행할 때. (고->액->기)  /  2) 원자보단 분자일 때 더 엔트로피가 크다.  / 3) 온도가 높을 때.

 

1번이랑 3번은 쉽게 이해하실텐데  2번의 경우가 뭔지 궁금하실거에요.  2번은 운동과 관련있습니다. 원자일때보다 분자일때가 더 다양한 운동을 합니다. 병진운동, 회전운동같은거죠. 즉, 운동을 다양하게 하니까 무질서도가 좀 더 크다라고 받아들이시면 되겠습니다.

 

이제 마지막으로 열역학 제 2법칙을 봅시다.

열역학 제 2법칙은 우주의 모든 엔트로피는 계와 주위의 엔트로피의 합과 같다에서 출발하며,  그 값이 0이면 가역과정.

그 값이 0보다 크다면 비가역과정으로  우주의 엔트로피는 모든 자발적 과정에서 증가한다! 라고 표현합니다.

 

왜 0보다 크면 비가역과정일까요? 당연합니다. 계의 엔트로피랑 주위의 엔트로피가 다르기 때문입니다. 계가 주위로 열을 방출하면서 에너지 손실이 일어납니다. 이는 물리에서 역학적 에너지 보존이 아닌 경우에 해당합니다. 마찰열로 인한 에너지 손실. 이러한 느낌과 비슷하죠.  계가 주위로 열을 방출하면서 원래 크기에서 일부가 손실된 것입니다. 그렇기 때문에 합이 0이 아니게 되는거죠. 만약 완벽한 가역과정이였다면 에너지 손실따윈 없이 계의 에너지가 그대로 주위의 에너지로 전달되었을 것이고 이들의 합은 0이 됩니다. 

 

이해가 가셨다면 다행입니다 ㅎㅎ