에너지 vs. 엔탈피

열역학(熱力學,thermodynamics)은에너지,열,일,엔트로피와 과정의 자발성을 다루는 물리학의 분야다. 여기서는 에너지, 열, 일과 엔탈피 사이의 관계에 대해 살펴보고자 한다.

 

 

 

에너지 vs. 엔탈피(Enthalpy) 

 

일(Work), 열(Heat), 에너지(Energy) 개념

일(Work) : 물질의 운동 상태를 변화시킬 때 수반되는 에너지 변화 → 기계적인 일, 전기적인 일, 표면 일 등

 

열(Heat) : 두 물체 사이의 온도 차이에 의한 에너지의 전달을 포함하는 개념으로, 특정한 물체의 구성 요소가 아님(Heat는 에너지의 이동)

 

에너지(Energy)는 현재 상태에 의해서만 그 값이 결정되지만, 열과 일은 상태의 변화를 통해서만 알 수 있음

일, 열은 에너지의 형태로 표현이 가능하지만 에너지의 형태가 다를 뿐이다.

즉 서로 간의 단위 환산이 가능하다.

1 ㎏f m = 1 ㎏ m^2 / s^2 = 9.8 J

1 J = 1 N m = 1 ㎏ m / s^2

1 kcal = 426.8 ㎏f m

열의 일당량 J =  426.8 ㎏f m / kcal

1 J = 1 N m = 1/ 9.8 ㎏f m

 

 

에너지 평형

열역학 접근을 위해서 다음 그림과 같은 열역학적 System(계), 주변 혹은 주위(Surrounding), 경계(Boundary)대한 이해가 필요하다.

 

<그림 1> 열역학 시스템 표현

 

경계를 기준으로 열역학에서 취급하는 물질(개체), 에너지(온도차, 압력차) 등이 이동하게 된다.

 

이러한 열역학적 시스템은 대표적으로 3개로 분류된다.

 

고립계 (Isolated System)	닫힌계 (Closed System)	열린계 (Open System)
- 고립계는 System으로 물질과 에너지의 출입이 불가능합니다. - 물질과 에너지의 출입이 없기 때문에 고립계에서는 에너지의 총합이 변하지 않습니다. 이때 시스템의 전체에너지를 내부에너지라고 표현합니다. 즉, 고립계 내부에너지는 일정하고 그 형태만 변환합니다.	- 닫힌계는 System으로 에너지만 출입가능합니다. (물질 출입 x) - 고립계에서는 내부에너지만 존재했으나 닫힌계에서는 외부로부터 열과 일을 주거나 받을 수 있습니다. 그리고 이러한 작용으로 내부에너지의 값이 바뀔 수 있습니다.	- 열린열린계는 System으로 물질과 에너지 모두가 출입가능합니다. *물질도 에너지(내부, 운동, 위치)를 갖고 있기 때문에 고려되어야 한다.

시스템을 정의하는 이유는 경계를 구분짓기 위해서이다.

경계를 구분지어야 물질과 에너지의 출입을 결정할 수 있다.

 

 

내부 에너지 (Internal energy)

에너지란, 일을 할 수 있는 능력을 말한다.

 

내부 에너지란 계를 이루고 있는 모든 입자의 운동에너지와 퍼텐셜 에너지의 합을 의미한다.

Internal energy = potential energy + kinetic energy

 

시스템이 에너지를 갖는다는 것은 다음과 같이 표현할 수 있다.

 

<그림 1> 밀폐시스템의 에너지평형

 

계 (System)의 상태가 변하면 계에서 주위로 또는 주위에서 계로 열과 일이 이동한다. 계가 받은 열(Q)과 계에게 해준 일(-W)의 합을 계의 에너지 변화량(ΔE)이라 하며, 아래와 같이 나타낸다.

 

ΔE ​= Q − W​

 

이것이 열역학 제1법칙이다. 일에는 전기적 일, 기계적 일 등 여러 가지가 있으며, 그중에서 외부 압력(P)에 대해 계의 부피(V)가 변하면, 이 경우에도 일이 관여한다.

 

만약 계에 외부 압력에 의해 부피가 변하는(P-V) 일 외에 다른 일이 없다면, 계에 해준 일(-W)은 -PΔV로 표현할 수 있으며, 따라서 열역학 제1법칙은 ΔE = Q - PΔV가 된다. 부피가 일정하게 유지되면서(ΔV=0) 계의 상태가 변하면 에너지 변화량 ΔE는 흡수한 열량(Qv)과 같다 (ΔE = Qv).

 

열이 계로 유입되면 (흡열과정) Q 는 양수. 주위가 계에 일을 해 주면 (에너지가 주위로부터 계로 이동) W 는 양수

 

<표 1> Sign Conventions for Work and Heat

 

 

 

엔탈피(Enthalpy)

엔탈피는 에너지(E)와 유사하며, 혼동하여 사용하기도 한다.

엔탈피(Enthalpy)는 열역학계의 성질로, 다음 식과 같이 계의 내부 에너지에 압력 곱하기 부피를 더한 값으로 정의된다.

 

H = U + pV

여기서 H는 계의 엔탈피를, U는 계의 내부 에너지를, p는 계의 압력을, V는 계의 부피를 의미한다.

 

위의 엔탈피의 정의는 그 값이 기준을 어떤 점으로 잡느냐에 따라 변하기 때문에 그 자체로 쓰이는 것 보다는 다음 식과 같이 계의 어떤 상태와 다른 상태 간의 엔탈피 차이(ΔH)를 표현하는 방식으로 쓰인다.

어떠한 과정에서 압력의 변화가 0인 경우엔(ΔP=0), 엔탈피의 변화량은 계가 주변과 열교환의 형태로 주고받은 에너지인 열량을 나타낸다.

 

ΔH = ΔU + PΔV + VΔP = ΔU + PΔV = ΔQ

 

따라서 주변의 압력이 일정하게 유지되는 반응의 전후 열량 출입을 나타내는 데에 많이 쓰인다.

 

처음 시스템이 갖고 있는 엔탈피와 나중에 시스템이 갖고 있는 엔탈피의 차이를 엔탈피의 변화라고 한다..

 

내부에너지는 온도, 일은 압력과 부피로 결정된다.

즉, 시스템의 온도와 압력과 부피가 얼마나 변화했냐를 보여주는 지표가 엔탈피가 된다.

 

그리고 이러한 엔탈피의 변화는 시스템이 갖고 있는 열의 변화량이 된다.

△Q = H2​ − H1​​

열의 변화란 열의 전달이 일어났다고 볼 수 있다.

 

Reference : 1. 부산대 화공과 교육 자료

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