생화학 레포트1. 열역학 법칙 PDF

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열역학 법칙 주제 레포트...

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생화학 레포트 1) 열역학 제 1법칙 열역학 제1법칙은 열적 계 전체의 에너지보존법칙을 다른 말로 표현한 것이다. 에너지보존법칙에 의하면 어떤 계의 내부에너지의 증가량(ΔU)은 그 계로 흘러들어간 열(ΔQ )과 외부에서 그 계에 해 준 일 (ΔW)와 같아야 한다.

즉,

ΔU=ΔQ+ΔW

어떤 외부가 계에 일을 하게 되면 그 계의 내부에너지가 증가되고 나머지는 외부로 열의 형태로 방출되는 것도 말하게 되는데 이 경우 ΔQ 는 음의 값을 갖게 된다.

그림) 실린더 내부로 된 계의 내부에너지의 변화는 공급된 열양과 해준 일의 차이에 대당한다.

내부에너지와 열 열적인 계가 가지고 있는 에너지는 계 전체의 집단적인 움직임에서 나오는 거시적인 에너지와 이를 제외한 계의 구성 입자의 무질서한 운동에 의한 미시적인 에너지로 나눌 수 있다. 이 미시적인 에너지는 제멋대로의 병진운동, 회전운동, 분자 진동뿐만 아니라 구성입자들 때문에 생겨나는 위치에너지도 포함하여 다양한 형태로 있게 되지만 거시적으로는 잘 관측되지 않는다. 즉 구성 입자의 하나하나의 행동이 측정되지도 않을 뿐만 아니라 추적하거나 예측하는 것도 거의 불가능하다. 비록 세부적으로는 역학적인 에너지이긴 하지만 잘 드러나지 않아 계 속에 잠재되어 있는 듯한 이 에너지를 내부에너지라고 한다. 구성입자가 병진운동만 하는 기체에서 이 내부에너지는 U=32 NkT 로 계산되고, 회전운동이나 병진운동이 허용된 경우에는 이 값이 그 분자의 자유도(D) 에 따라 D2 NkT 형태로 주어진다. 이상기체의 경우 내부에너지는 온도에 정확하게 비례하지만 복잡한 계의 경우에도 내부에너지가 증가하면 온도도 증가한다. 이 내부에너지는 계의 질량, 온도, 압력 또는 체적에 의존하여 이들의 함수형태로 표시된다.

2) 열역학 제 2법칙 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가

감소하지 않는다는 법칙이다. 열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원(reservoir)에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다. 또한 열역학 2법칙에 따르면 총 일의 생산에 있어, 열의 이동은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 향한다. 따라서 영구 기관은 존재할 수 없다. 어떠한 과정에서 엔트로피 증가가 적다는 것은 그 과정의 에너지 효율이 좋다는 것을 뜻한다. 열역학 제2법칙을 수식으로 간단히 나타내면 다음과 같다.

ΔS ≥ 0 부등호(>)는 비가역과정에 적용되고 엔트로피의 변화(ΔS)는 0보다 크다. 즉 항상 증가한다는 말과 같다. 등호(=)는 가역과정에 적용된다. 열역학 제2법칙의 모순처럼, 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소하는 것으로 볼 수도 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해주어서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 하지만 방 안으로부터 방출되거나 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 생성한다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다.

3) 깁스 자유에너지(Gibbs Free energy, G) 열역학에서 깁스 자유 에너지Gibbs free energy는 온도와 압력이 고정된 열역학적인 계에서 얻을 수 있는 포텐셜 에너지이다. 역학에서 포텐셜 에너지는 일을 할 수 있는 능력으로 정의되지만, 비슷하지만 다른 포텐셜은 다른 의미를 가진다. 깁스 자유 에너지(SI 단위 J/mol)는 닫힌계에서 뽑아낼 수 있는 최대의 비팽창 일의 양이다. 기브스의 자유에너지(G)는

G=H-TS

로 표시한다. 여기서 H는 엔탈피(enthalpy), T는

열역학적 온도, S는 엔트로피(entropy)이다. 일정한 온도와 압력에 놓인 계에서 기브스의 자유에너지 변화량(ΔG)은 계와 주위의 전체 엔트로피 변화에 비례한다. 즉 ΔG=ΔH-TΔS이다. 자발적 변화는 전체 엔트로피의 증가를 수반한다(열역학 제2법칙). 그러므로 이 식에 의하면 일정한 온도와 압력에서 일어나는 자발적 변화는 계에서 기브스의 자유에너지가 줄어드는 현상이 나타난다. ΔG와 반응의 자발성 간의 관계는, 온도와 압력이 일정한 경우 ΔG가 0보다 작으면 정반응이 자발적이며, 0이면 반응은 평형상태, 0보다 크면 정반응은 비자발적이나 역반응이 자발적이다.

4) 엔탈피(enthalpy, H) 엔탈피

1. 엔탈피는 일정한 압력과 온도에서 어떤 물질이 가지고 있는 고유한 에너지의 함량 2. 표준 엔탈피( H ° ) : 엔탈피는 온도와 압력에 따라 달라지는데 25℃, 1기압에서의 엔탈피 값을 나타낸다.

반응 엔탈피( ∆H ) 1. 일정한 압력에서 화학 반응이 일어날 때의 엔탈피 변화 2. 반응 엔탈피( ∆H )는 생성물의 엔탈피 합에서 반응물의 엔탈피 합을 뺀 값 반응 엔탈피( ∆H ) = ΣH생성물 - ΣH반응물 (반응 엔탈피 = 생성물의 엔탈피 합 - 반응물의 엔탈피 합)

반응열( Q )과 반응 엔탈피( ∆H ) 1. 반응열( Q )은 반응물의 엔탈피 합에서 생성물의 엔탈피 합을 뺀 값 2. 일정한 압력에서 반응열(Q)과 반응 엔탈피(∆H)는 크기는 같고 부호는 반대→ Q = - ∆H

반응열(Q ) = Σ H반응물 - ΣH생성물 (반응열 = 반응물의 엔탈피 합 - 생성물의 엔탈피 합)

3. ∆H 의 부호 : 반응물과 생성물이 가지는 엔탈피의 크기에 따라 정해진다 → 발열 반응은 `-' 부호를 가지고, 흡열 반응은 `+' 부호를 가진다.

5) 엔트로피(entropy, S) 1. 엔트로피는 무질 무질서도를 서도를 나타내는 척도로 무질서도가 클수록 엔트로피가 크다.

2. 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로, 즉 낮은 엔트로피 상태에서 높은 엔트로피 상태로 되는 과정은 자발적으로 일어난다.

3. 엔트로피의 증가와 감소 엔트로피가 증가하는 경우：S최종 > S초기 이므로 ⊿S>0 엔트로피가 감소하는 경우：S최종 < S초기 이므로 ⊿S...