[열역학 개념의 해설] 퓨개시티

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제23장 '퓨개시티' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

23. 퓨개시티

두 개 이상의 상이 인접해 있을 때, 상 사이에서 물질이 이동하는 현상을 설명하기 위해 이탈성향(Escaping tendency)이라는 개념이 도입되었는데요. 물질은 이탈성향이 큰 상에서 작은 상으로 이동하고, 상평형 상태에서는 이탈성향이 동일하답니다. 

기체상과 액체상이 접하고 있는 계에서 이탈 성향을 쉽게 알 수 있는 방법은, 기액 상평형 상태에서 기체의 압력(증기압)을 측정하는 방식인데요. 액체의 이탈성향이 큰 경우 증기압이 커지고, 액체의 이탈성향이 작으면 증기압이 작아진답니다. 

한편, 기액 상평형에서 기체가 이상기체일 경우에는 증기압이 이탈성향과 동일하지만, 분자 사이에 인력과 반발력이 존재하는 실제기체의 경우에는 증기압이 이탈성향과 동일하다고 할 수 없는데요. 기체 분자 사이에 인력이 강한 경우에는 증기압이 이탈성향보다 작아지고, 반발력이 강한 경우에는 증기압이 이탈성향보다 커지기 때문이죠. (이상기체이든 실제기체이든 액체의 이탈성향은 동일합니다.)

따라서 기액 상평형에서의 이탈성향을 나타낼 수 있는 도구로 수정된 증기압인 퓨개시티(Fugacity, 비산도, 휘산도)를 아래와 같이 새롭게 정의하였답니다. 

• f =Φ*P
• f= 퓨개시티, Φ= 퓨개시티 계수, P= 증기압
• 퓨개시티는 압력과 동일한 차원(단위) 

증기압과 퓨개시티 계수만 알면, 기액 상평형에서의 이탈성향인 퓨개시티를 구할 수 있는데요. 이상기체의 경우 퓨개시티 계수는 1이고, 실제기체의 경우 퓨개시티 계수는 압축인자를 통해 계산될 수 있다고 합니다. 

한편, 등온에서의 이상기체의 깁스 에너지는 아래와 같이 구할 수 있는데요. 

• dG = -SdT + VdP 
       = VdP (등온, dT = 0)
       = (RT/P)dP (이상기체 상태방정식 PV=RT)
       =  RT·dln(P) 
• G = RT·ln(P) + B (B는 적분상수, 온도에 따라 변화) 

실제기체의 깁스에너지는 압력(P) 대신 퓨개시티(f)를 대입하여 계산할 수 있답니다. 

• dG = RT·dln(f)
• G = RT·ln(f) + B (B는 적분상수, 온도에 따라 변화) 

이렇게 기액 상평형의 이탈성향은 압력차원을 가지는 퓨개시티로 표현하였는데요. 만약 인접해 있는 상이 액체-액체일 경우에는 퓨개시티로 표현하는 것이 적절하지 않답니다. 이러한 경우에는 농도 개념을 가진 변수를 이용하여 이탈성향을 나타내는 것이 편리한데요. 이러한 이유로 만들어한 또 하나의 개념이 활동도(Activity)랍니다.

 

그럼 열역학 개념의 해설, 퓨개시티에 대한 포스팅을 마치겠습니다.