엔탈피, 엔트로피, 엑서지에 대해 알아보자
우선 엔탈피부터 알아보자.
화학에서는 반응열·연소열·용해열·중화열·증발열 등 많은 열을 다룬다. 앞에서 말한 ‘열’은 일정한 압력에서 반응(변화)이 일어날 때, 반응 전후의 온도를 같게 하기 위하여 계가 흡수하거나 방출하는 열(에너지)을 의미한다. 이와 같은 열을 다른 말로 엔탈피(enthalpy: H)라 부른다. 엔탈피는 엔트로피와 더불어 물질계의 안정성과 변화의 방향, 그리고 화학 평형의 위치와 이동을 결정하는 핵심적인 요소이다.
[네이버 지식백과] 엔탈피 - 열역학의 핵심 함수 (화학산책, 박준우)
여기서 주목해야 하는 점은 일정은 압력에서 반응이 일어날때 반응 전후의 온도를 같게 하기 위하여 계가 흡수하거나 방출하는 열을 의미한다는 것이다. 계가 받은 열(Q)과 계에게 해준 일(W)의 합을 계의 에너지 변화량(ΔE)이라 하며, ΔE=Q-W로 표시할 수 있다.
피스톤을 예를 들어보자. 피스톤 내부기체가 열을 흡수하여 에너지가 증가하게 되면, 피스톤 내부 부피가 팽창하여 피스톤이 밖으로 밀려 나가게 될 것이다. (PV=nRT)
이유는 온도가 올라가게 되면 우항의 값이 높아지게 되고, 이에 따라 좌변의 값 역시 증가하게 될 것이다. 즉 부피가 팽창함으로써 압력이 일정하게 유지가 될 것이다.
이 상황에서 에너지가 증가한 공기가 한일은 피스톤을 움직이게 한 것이다. 따라서 W(일)을 PV로 표현하는게 가능해진다. (W=PV)
여기서 일을 미분하게 되면, dW=PdV + VdP가 된다. 하지만 앞에 언급하였 듯이 dP의 값은 0으로 수렴하거나/ 0이 되기 때문에 dW=PdV가 된다. 이때 E=Q+W에서 Q인 열은 내부에너지의 변화라고 할 수 있기에 U를 사용할 수 있다.
즉 dH=dU+PdV가 되는 것이다. ------------(1)
내부에너지는 U=TS 온도와 엔트로피의 함수로 표현할 수 있다.
이를 미분하면 dU=SdT+TdS로 표현되는데, 등온상태일 경우 dU=TdS로 표현된다. 따라서 (1)번식에 대입하게 되면
dH=TdS + PdV가 된다.