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제2법칙과 제3법칙

Atkins, Physical Chemistry, Chapter 3. 슬라이더를 움직이면 그래프가 실시간으로 반응합니다.

Entropy Spontaneity Carnot Cycle Microstates Third Law

엔트로피

열역학 제2법칙은 자연스러운 과정의 방향을 결정하는 원리이다. 엔트로피 $S$는 이 방향성을 정량화하는 상태함수로, 가역 과정에서 $dS = dq_\text{rev}/T$로 정의된다. 제2법칙에 따르면 고립계에서 일어나는 자발적 과정은 반드시 총 엔트로피를 증가시킨다: $\Delta S_\text{total} = \Delta S_\text{sys} + \Delta S_\text{surr} \geq 0$. 등호는 가역 과정에만 성립한다. 열이 고온에서 저온으로 흐르는 것, 기체가 진공으로 팽창하는 것 모두 엔트로피 증가 원리로 설명된다.

$$dS = \frac{dq_\text{rev}}{T}$$
$$\Delta S_\text{total} \geq 0$$

Carnot 순환

Carnot 순환은 두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로 이루어진 이상적인 열기관이다. 고온 저장소($T_h$)에서 열 $q_h$를 흡수하고, 저온 저장소($T_c$)에 열 $q_c$를 방출하며, 그 차이 $w = q_h - |q_c|$가 일로 전환된다. Carnot 효율 $\eta = 1 - T_c/T_h$는 같은 두 온도 사이에서 작동하는 모든 열기관의 효율 상한이다. 이 결과는 제2법칙의 직접적 귀결이며, 실제 열기관의 효율이 왜 100%에 도달할 수 없는지를 명확히 보여준다.

$$\eta_\text{Carnot} = 1 - \frac{T_c}{T_h}$$
$$\frac{|q_c|}{q_h} = \frac{T_c}{T_h}$$
Interactive Figure 3.1 Carnot 순환 P-V 다이어그램
Thot 600 K
Tcold 300 K
효율 η
ΔStotal 0
Th / Tc

엔트로피의 통계적 해석

Boltzmann은 엔트로피를 미시상태(microstate)의 수 $W$와 연결하는 유명한 관계식 $S = k_B \ln W$를 제시했다. 여기서 $W$는 주어진 거시 상태와 양립 가능한 미시적 배열의 수이다. 에너지 양자 $q$개를 $N$개의 조화 진동자에 분배하는 방법의 수는 $W = \binom{q + N - 1}{q} = \frac{(q+N-1)!}{q!(N-1)!}$로 주어진다. 입자 수나 에너지가 증가하면 $W$가 폭발적으로 커지며, 이는 엔트로피 증가의 미시적 기원을 보여준다. 무질서도가 높을수록 가능한 미시상태가 많아져 엔트로피가 크다.

$$S = k_B \ln W$$
$$W = \frac{(q + N - 1)!}{q!\,(N - 1)!}$$
Interactive Figure 3.2 미시상태 수와 엔트로피
입자 수 N 5
최대 양자 수 q 15
W (qmax)
S / kB

제3법칙

열역학 제3법칙은 완전 결정(perfect crystal)의 엔트로피가 절대 영도(0 K)에서 0이 된다고 선언한다: $S(0) = 0$. 이는 절대 영도에서 완전 결정은 단 하나의 미시상태($W = 1$)만을 가지므로 $S = k_B \ln 1 = 0$이 되기 때문이다. 제3법칙 덕분에 우리는 임의의 물질의 절대 엔트로피를 계산할 수 있다: $S(T) = \int_0^T (C_p/T)\,dT$에 상전이에서의 $\Delta S_\text{tr}$을 더하면 된다. 잔여 엔트로피(residual entropy)는 결정이 0 K에서도 완벽한 질서를 갖추지 못할 때 나타나며, CO나 얼음이 대표적인 예이다.

$$S(0\;\text{K}) = 0 \quad \text{(perfect crystal)}$$
$$S(T) = \int_0^T \frac{C_p}{T}\,dT + \sum \frac{\Delta H_\text{tr}}{T_\text{tr}}$$

자발성과 Gibbs 에너지 미리보기

자발성의 판정에 총 엔트로피 변화를 매번 계산하는 것은 번거롭다. 일정 온도, 일정 압력 조건에서는 Gibbs 에너지 $G = H - TS$의 변화만으로 자발성을 판정할 수 있다: $\Delta G < 0$이면 자발적, $\Delta G = 0$이면 평형, $\Delta G > 0$이면 비자발적이다. $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$에서 엔탈피 변화와 엔트로피 변화가 서로 경쟁하며, 온도가 어느 항이 지배하는지를 결정한다. 높은 온도에서는 엔트로피 항 $T\Delta S$가, 낮은 온도에서는 엔탈피 항 $\Delta H$가 우세해지는 경향이 있다.

$$G = H - TS$$
$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$$
이상 기체 1몰이 등온에서 부피가 $V$에서 $2V$로 자유 팽창했다. $\Delta S_\text{sys}$는?
엔트로피는 상태함수이므로 경로에 무관하다. 같은 초기, 최종 상태를 연결하는 가역 등온 팽창을 상상하면 $\Delta S = nR\ln(V_f/V_i) = R\ln 2$이다. 자유 팽창에서 $q = 0$이지만, $\Delta S$는 가역 경로로 계산해야 한다.