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17.3:

열역학 제2법칙

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Chemistry
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Second Law of Thermodynamics

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열역학 제1법칙에 따르면 계의 에너지 변화는 주변 환경의 에너지 변화와 동등하고 방향은 반대입니다. 계인 얼음덩이를 뜨거운 차 고뿌에 넣으면 음은 녹고 차는 시원해집니다. 얼음덩이에서 얻은 열은 차에서 잃은 열과 같습니다.에너지는 열 전달 방향에 관계없이 보존됩니다. 하지만 얼음덩이를 추가하는 경우 전달되는 열의 양이 어느 방향으로 흐르는 지 결정하지 못하기 때문에 차는 더 뜨거워지지 않습니다. 열 전달 방향과 기타 자발적 반응을 설명하기 위해서는 엔트로피의 해당한 변화를 고려해야 합니다.열역학 제2법칙은 모든 자발적 과정에서는 우주 엔트로피 즉 계와 주변 환경의 총 엔트로피가 증가한다고 설명합니다. 이것은 우주의 최종 상태와 초기 상태 사이의 엔트로피 차이인 우주의 ΔS가 0보다 커야 한다는 것을 의미합니다. 엔트로피는 에너지 분산의 척도이며 우주의 에너지가 초기보다 최종 상태에서 더 분산되는 과정은 자발적인 과정입니다.얼음덩이가 녹을 때 계의 엔트로피가 정의 변화를 가져오기 때문에 물 분자는 질서있는 고체에서 더 무질서한 액체 상태로 변합니다. 그러나 물이 얼음으로 얼면 계의 ΔS는 음수가 됩니다. 하지만 이러한 과정이 자발적이기 위해서는 우주의 엔트로피가 증가해야 합니다.따라서 이러한 과정들이 자발적인지 아닌지의 차이는 주변 환경의 차이에 있습니다. 물이 얼면 주변으로 열을 방출하여 주변의 에너지 확산을 증가시킵니다. 우주의 ΔS가 양수가 되려면 주변 환경의 ΔS가 양수인 경우에 그 크기가 계의 ΔS보다 커야 합니다.순수한 물은 0 도씨 미만의 온도에서만 자발적으로 얼게 됩니다. 이는 낮은 온도에서 주변으로 전달되는 열이 높은 온도에서 전달되는 동일한 양의 열보다 엔트로피 변화가 더 크기 때문입니다. 주변의 델타S 크기는 계에 의해 전달되는 열에 정비례하고 온도 T에 반비례합니다.따라서 일정한 온도와 압력에서 발생하는 과정의 경우 주변의 델타S는 주변으로 전달되는 열을 켈빈 단위의 온도로 나눈 값과 같습니다.

17.3:

열역학 제2법칙

프로세스의 자발성을 안정적으로 예측할 수 있는 속성을 식별하기 위해 유망한 후보가 확인되었습니다. 시스템의 엔트로피 증가를 포함하는 프로세스 (ΔS > 0)는 매우 자주 자발적입니다; 그러나 반대로 하는 예는 풍부합니다. 주변 환경을 포함하는 엔트로피 변경의 고려를확대함으로써,이 속성과 자발성 사이의 관계에 관한 중요한 결론에 도달 할 수있다. 열역학 모델에서 시스템과 주변은 모든 것, 즉 우주를 구성하므로 다음과 같습니다.

Eq1

이 관계를 설명하기 위해 두 개체 간의 열 흐름 프로세스를 다시 고려합니다. 이러한 프로세스에는 세 가지 가능성이 있습니다.

  1. 물체는 온도가 다르고 열은 더 뜨거운 물체에서 쿨러 오브젝트로 흐릅니다. 이것은 항상 자발적으로 발생하는 것으로 관찰됩니다. 더 뜨거운 개체를 시스템으로 지정하고 엔트로피의 정의를 호출하면 다음이 생성됩니다.

Eq2

의 크기 –qsys와 qsys는 시스템에 의한 열의 손실을 나타내는 반대 산술 징후와 주변 환경에 의해 열의 이득을 나타내는 그들의 반대 산술 징후입니다. 이 시나리오에서 Tsys > Tsurr 이기 때문에, 시스템의 엔트로피 감소는 주변의 엔트로피 증가보다 적을 것이고, 그래서 우주의 엔트로피가 증가할 것이다:

Eq3

  1. 오브젝트는 온도가 다르고 열은 쿨러에서 더 뜨거운 물체로 흐릅니다. 이것은 자발적으로 일어나는 것을 관찰하지 않습니다. 다시 더 뜨거운 개체를 시스템으로 지정하고 엔트로피의 정의를 호출하면 다음이 생성됩니다.

Eq4

qsys의 산술 징후는 시스템에 의한 열의 이득과 주변 환경에 의한 열 손실을 나타냅니다. 주변 환경에 대한 엔트로피 변화의 크기는 시스템에 대해 다시 그보다 클 것이지만,이 경우 열 변화의 징후 (즉, 열 흐름의 방향)은ΔS대브에대한 음의 값을 산출합니다. 이 과정은 우주의 엔트로피의 감소를 포함한다.

  1. 물체는 본질적으로 동일한 온도, TsysTsurr,그래서 엔트로피 변화의 크기는 본질적으로 시스템과 주변 모두에 대해 동일합니다. 이 경우, 우주의 엔트로피 변화는 0이며, 시스템은 평형에있다.

Eq5

이러한 결과는 열역학의 두 번째 법칙으로 알려진 엔트로피와 자발성 사이의 관계에 관한 심오한 진술로 이어진다: 모든 자발적인 변화는 우주의 엔트로피의 증가를 야기한다. 이 세 가지 관계에 대한 요약은 아래 표에 제공됩니다.

열역학의 제2법칙
ΔS유니브 > 0 자발적인
ΔS유니브 & 0 비자발적(반대 방향으로 자발적)
ΔS대브 = 0 평형에서

많은 사실적인 응용 프로그램의 경우 주변 환경은 시스템에 비해 광대합니다. 이러한 경우, 일부 공정의 결과로 주변 환경에 의해 얻어지거나 손실되는 열은 총 열 에너지의 매우 작고 거의 무한한 부분을 나타냅니다. 예를 들어, 공기 중연료의 연소는 시스템(반응을 받고 있는 연료 및 산소 분자)에서 무한히 더 거대한 주변 환경(지구 대기)으로 열을 전달하는 것을 포함합니다. 그 결과, qsurr는 qsys의좋은 근사치이며, 두 번째 법은 다음과 같이 명시될 수 있습니다.

Eq6

이 방정식은 프로세스의 자발성을 예측하는 데 유용합니다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 제 16.2 장: 열역학의 두 번째 및 세 번째 법칙에서 채택됩니다.