[열역학 개념의 해설] 물질의 잠재에너지

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제22장 '물질의 잠재에너지' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

22.  물질의 잠재에너지

열린계에서는 물질 출입이 가능하며, 이에 따라 계 내부의 에너지가 변화하는데요. 물질의 출입에 따라 에너지 변화를 나타내기 위해 도입된 개념이 물질의 잠재에너지(화학포텐셜, chemical potential)이랍니다.

물질의 잠재에너지 정의는 아래와 같이 나타낼 수 있는데요. 풀어서 설명하면 계의 온도, 압력이 일정하고 다른 물질의 이동이 없을 때, 해당물질의 출입에 따른 깁스에너지의 변화량을 뜻합니다.

• μ = dG/dm (압력 및 온도 일정, 다른 물질의 이동 없음)

즉,  계 내에서 물질이 갖는 단위질량(혹은 단위 몰) 당 깁스 에너지를 물질의 잠재에너지라고 정의할 수 있답니다.

여기서 주의할 점은 물질마다 고유의 잠재에너지를 갖는 것은 아니라는 것입니다. 계가 순수한 물질인지, 혼합물인지, 혼합물이면 어떤 조성인지에 따라 물질이 갖는 잠재에너지의 크기 또한 달라진답니다. 

 

한편, 잠재에너지는 여러 상이 평형상태로 존재할 때 그 평형 현상을 설명하기 위해 사용되는데요. 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열이 흐르고, 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 유체가 흐르 듯이, 물질의 잠재에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 서로 다른 상 사이에서 물질 이동이 발생한답니다. 그리고 상에 존재하는 모든 구성 물질들의 잠재에너지가 같아지면, 더 이상 물질 이동이 발생하지 않고 상평형을 이룬답니다. 

• 모든 성분에 대해서 μ(Ⅰ) = μ(Ⅱ) → Ⅰ상과 Ⅱ상은 평형인 상태 

여기서 잠재에너지의 정의를 생각해보면, 상평형에서는 물질이동에 따라 변화되는 에너지가 없다는 것을 알 수 있고(동적평형상태로, 상승하는 에너지와 감소하는 에너지가 상쇄), 이는 상평형에서는 깁스 에너지의 변화량이 0이라는 점과 일맥상통한다는 것도 알 수 있답니다. 

그럼 열역학 개념의 해설, 물질의 잠재에너지 포스팅을 마치겠습니다.