[열역학 개념의 해설] 상평형

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제27장 '상평형' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

27. 상평형

여러 학과에서 열역학 과목을 배우는데, 화학공학에서 배우는 열역학에서는 기체나 액체로 존재하는 물질들의 상평형에 대한 내용을 가장 핵심적으로 다루고 있답니다. 

 

상평형이란, 서로 다른 상이 인접해 있고 그 상들 사이에 물질의 이동이 없는 동적 평형상태를 말하는데요. 대표적인 상평형에는 기-액 평형, 액-액 평형, 고-액 평형 등이 있답니다. 

 

화공 열역학에서 상평형 현상을 연구하는 최종적인 목적은 평형상태에 있는 각 상의 조성을 구하고, 온도와 압력의 변화에 따라 그 조성이 어떻게 변화하는 가를 알아내는 것이랍니다. 특히 여러 가지 형태의 상평형 중 기-액 상평형을 주로 다루는데요. 혼합물이 개-액 상평형 상태일 때, 두 상에서 각 성분의 조성을 계산한답니다. 

 

예를 들어 물과 에탄올이 반반씩 섞은 혼합물이 기-액상평형이 되면, 기상과 액상에서의 물, 에탄올 조성은 어떻게 될까요? 

기상에는 휘발성이 강한 에탄올의 조성이 더 크고, 액상에서는 휘발성이 약한 물의 조성이 더 크다는 것을 알 수 있는데요. 이처럼, 상평형 상태의 조성을 구하기 위해서는 각 성분의 이탈성향(휘발도)를 알아야 한답니다. 그러나 이탈성향(휘발도)는 혼합되어 있는 성분의 종류와 농도에 따라서 변화되기 때문에, 상평형 상태에서의 조성을 계산하는 것은 결코 단순한 일이 아니랍니다. 

 

상평형을 이론적으로 계산하기 위해서는 상태방정식, 깁스에너지, 잠재에너지, 퓨개시티 및 활동도 등 열역학 제반의 개념들에 대한 충분한 이해가 필요로 하고, 수치해석적인 방법을 전산학적 도구에 적용해 계산해야 한답니다. 이러한 이유로 상평형 계산을 화공 열역학의 꽃이라고도 해요. 

 

한편, 기상에서는 이탈성향(휘발도)이 큰 성분이 농축되고 액상에서는 휘발도가 작은 성분이 농축되는 원리를 이용하여, 혼합물을 보다 순수한 상태로 만드는 분리공정을 설계할 수 있는데요. 이것이 바로 증류의 원리랍니다. 

 

그럼 열역학 개념의 해설, 상평형에 대한 포스팅을 마치겠습니다.