[열역학 개념의 해설] 혼합물과 부분성질

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제25장 '혼합물과 부분성질' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

25. 혼합물과 부분성질

세상에 존재하는 대부분의  물질들은 모두 순수한 상태가 아닌 혼합물의 상태로 존재하고 있는데요. 열역학에서는 혼합물의 몰당 부피, 몰당 깁스에너지, 몰당 엔탈피 등과 같이 혼합물의 물성을 구하는 것이 중요하답니다. 물질은 순수한 상태로 존재할 때와 다른 성분과 혼합된 상태로 존재할 때 물성이 달라지는데요. 부분성질(Partial property)은 어떤 물질이 다른 성분과 혼합되어 있을 때 가지는 물성을 말하며, 부분성질에는 대표적으로 부분 부피, 부분 깁스에너지(물질의 잠재에너지, 화학 포텐셜), 부분 엔탈피 등이 있답니다.

여기서는 부분성질 중 가장 대표적인 부분 부피에 대해서 좀 더 자세하게 살펴보도록 하겠습니다. 두 물질을 혼합하면, 혼합물의 부피는 보통 섞기 전의 부피의 합과 다른 값을 가지는데요. 두 성분 간의 인력이 순수한 상태보다 증가하면 부피가 감소하고, 반발력이 순수한 상태보다 증가하면 부피가 증가한답니다. 실제로 물 80cc와 에탄올 20cc를 섞으면, 100cc가 아닌 96cc가 나온다고 하네요. (물-에탄올 사이의 인력(친화력)이 크기 때문에 부피가 감소)

 

한편, 대부분의 경우에서는 부분 부피의 값은 0보다 크지만, 어떤 특별한 경우에는 한 성분의 부분 부피가 0보다 작은 음의 값을 가지기도 한답니다. (주로 액체나 기체가 고온, 고압에 존재할 때 발생) 예를 들어 어떤 순수한 상태에 있는 액체 성분 100cc에 A라는 성분 3cc를 첨가했더니, 최종 부피가 98cc가 되는 경우가 있답니다.

 

만약, 혼합물이 이상용액을 이룬다면  분자 사이에 작용하는 힘이 변하지 않기 때문에, 부분 부피는 순수상태의 부피와 동일하게 되겠지요?

여기서 한 가지 중요한 사실이 있는데요. 부분 부피는 이상용액에서 순수 상태로 존재할 때의 부피와 동일하지만, 부분 깁스에너지는 이상용액일지라도 조성에 따라서 변화한다는 특징이 있답니다. (다음 장에서 좀 더 자세히 설명할 예정입니다!)

마지막으로 부분부피의 수학적 정의 식은 아래와 같은데요. 이러한 부분성질의 값은 이론적으로 계산하는 것은 힘들고, 대부분 경험을 통해 만들어진 실험식으로 구하는 특징이 있답니다. 

• 부분부피 = [∂(nV)/∂(ni)] (온도, 압력 및 다른 물질의 양 동일) 
• i라는 성분이 변화했을 때, 전체부피(nV)의 변화량 ​​​​

그럼 열역학 개념의 해설, 혼합물과 부분성질에 대한 포스팅을 마치겠습니다.