Chapter 1-14. 열역학적 성질의 변화(자발/비자발: 자발성의 척도)

1. 열역학은 어떠한 공정이 자발적인지 비자발적인지를 판단할 수 있는 중요한 도구이다.
2. 자발성의 척도는 열역학 제2법칙과 에너지 개념으로 설명할 수 있다.

• 우주의 엔트로피가 증가하는 방향이 자발적 방향이다.
  • $ΔS_{total} = ΔS_계 + ΔS_{주위}$ 가 증가하면 공정은 자발적이다.
• 일정 온도와 압력에서 깁스 에너지 변화(ΔG)가 음수($ΔG < 0$)면 공정은 자발적이다.
• 일정 온도와 부피에서 헬름홀츠 에너지 변화(ΔA)가 음수($ΔA < 0$)면 공정은 자발적이다.
• $ΔG, ΔA$는 계의 상태만으로 자발성을 판단할 수 있는 실용적인 척도이다.
  • 엔트로피로 자발성을 판단할 때에는 계, 외계의 엔트로피 변화를 모두 고려해야만 하는 불편함이 있다.
• 아래 표(GAHU 표)는 자발성의 척도를 판단하는 지표를 암기하는 표이다.

<자발성의 척도 암기표>

3. 자발성과 반응 속도는 별개의 개념이다.

• 자발적 공정이라도 반응 속도가 매우 느릴 수 있다.(예: 다이아몬드의 흑연화)
• 자발성은 평형 도달의 방향성을 의미하고, 반응 속도는 변화가 일어나는 빠르기를 의미한다.

<자발적·비자발적 공정과 자발성의 척도 요약>

구분	정의 및 특징	예시	자발성의 척도
자발적 공정	외부 도움 없이 저절로 진행, 에너지 감소, 엔트로피 증가	열이 고온→저온 이동, 철의 녹, 기체 확산	$ΔS_{total} > 0, ΔG < 0$ (등온·등압), $ΔA < 0$ (등온·등적)
비자발적 공정	외부 에너지·일 필요, 에너지 증가, 엔트로피 감소	열을 저온→고온 이동, 산화철→철 환원	$ΔS_{total} < 0, ΔG > 0, ΔA > 0$