¶ 지식 정보
¶ 계와 주위
화학에서 계는 반응이 일어나는 대상이고,
주위는 반응이 일어나는 주변 환경이다.
화학에서 계와 주위를 모두 합쳐 전체 또는 우주라 한다.
¶ 계와 주위 예시
연소 반응에서 계는 에너지를 방출하여 엔탈피가 낮아지고, 주위는 에너지를 흡수하여 온도가 높아진다.
¶ 계의 종류
¶ 열린계
물질과 에너지 모두 주위로 출입할 수 있는 계이다.
¶ 열린계 예시
뚜껑이 열린 병은 병의 입구를 통해 물질과 에너지 모두 주위로 출입할 수 있으므로 열린계이다.
¶ 닫힌계
에너지만 주위로 출입할 수 있는 계이다.
¶ 닫힌계 예시
뚜껑이 닫힌 병은 물질이 주위로 출입할 수는 없으나, 에너지는 출입할 수 있으므로 닫힌계이다.
¶ 고립계
물질과 에너지 모두 주위로 출입할 수 없는 계이다.
¶ 고립계 예시
뚜껑이 닫힌 병을 단열재로 둘러싼 경우, 물질과 에너지 모두 주위로 출입할 수 없으므로 고립계이다.
¶ 자발적 변화
에너지 공급 없이도 스스로 일어나는 변화이다.
¶ 자발적 변화 예시
- 물에 잉크를 떨어뜨리면 잉크가 퍼져 나간다.
¶ 비자발적 변화
에너지 공급 없이는 스스로 일어나지 않는 변화이다.
¶ 비자발적 변화 예시
- 물에 퍼져 있던 잉크가 모여 잉크 방울이 된다.
- 두 용기에 퍼져 있던 기체가 모여 한 용기에만 들어 있게 된다.
¶ 무질서도
입자들이 얼마나 자유분방하게 흩어져 있는지를 나타내는 정도이다.
¶ 엔트로피
무질서도를 나타내는 물리량이다.
엔트로피는 기호로 로 나타내고, 단위는 주로 을 사용한다.
초기 상태에서 최종 상태로 갈 때의 엔트로피 변화는 이다.
¶ 엔트로피 예시
- 물질의 상태가 변하는 경우:
고체 액체 기체로 갈수록 분자가 자유분방하게 움직일 수 있으므로 계의 엔트로피가 증가한다.
반대로 기체 액체 고체로 갈수록 분자가 자유분방하게 움직일 수 없으므로 계의 엔트로피가 감소한다.
- 기체의 분자 수가 변하는 경우:
화학 반응에서 기체 상태인 생성물의 몰 수가 기체 상태인 반응물의 몰 수보다 큰 경우 자유분방하게 움직일 수 있는 분자 수가 많아지므로 계의 엔트로피가 증가한다.
반대로 기체 상태인 생성물의 몰 수가 기체 상태인 반응물의 몰 수보다 작은 경우 자유분방하게 움직일 수 있는 분자 수가 적어지므로 계의 엔트로피가 감소한다.
¶ 반응 엔트로피
화학 반응이 일어날 때, 생성물과 반응물의 엔트로피 차이다.
표준 상태의 반응 엔트로피를 표준 반응 엔트로피라 하고, 기호로 로 나타낸다.
¶ 엔트로피와 자발성의 관계
무질서한 상태(엔트로피가 큰 상태)가 될 확률이 질서정연한 상태(엔트로피가 작은 상태)가 될 확률보다 훨씬 높으므로 전체의 엔트로피가 증가하는 과정은 자발적인 과정이다.
¶ 엔트로피와 자발성의 관계 예시
두 용기에 개의 기체 분자가 들어 있을 경우 모든 경우의 수를 나타내면 아래 표와 같다.
| 가능한 분포 상태 | 분포별 가능한 경우 | 경우의 수 |
|---|---|---|
|
|
$1$ |
|
|
$4$ |
|
|
$6$ |
|
|
$4$ |
|
|
$1$ |
모든 경우의 수는 이다.
이 중 기체가 한쪽 용기에만 모여 있는 경우의 수는 이고,
두 용기에 퍼져 있는 경우의 수는 이다.
따라서 기체가 한쪽 용기에만 모여 있을 확률은 이고, 두 용기에 퍼져 있을 확률은 이다.
두 용기에 퍼져 있을 확률이 한쪽 용기에만 모여 있을 확률보다 높으므로 기체가 두 용기에 퍼지는 과정은 자발적이며, 이 과정에서 엔트로피가 증가한다.
두 용기에 몰(개)의 기체 분자가 들어 있을 경우 개의 기체 분자가 전부 한쪽 용기에만 모여 있을 확률은 에 가까워진다.
¶ 시뮬레이션
¶ 적용 문항
¶ 1번 문항
¶ 2번 문항
정답: $5$
ㄱ. 반응 전후 각 원소의 원자 개수가 같음을 이용하여 식을 세운다.
- 의 개수 맞추기:
- 의 개수 맞추기:
이를 연립하면 , 이다. (O)
ㄴ. 기체 상태인 생성물의 반응 계수 합은 기체 상태인 반응물의 반응 계수 합보다 작으므로 생성물의 몰 수가 반응물의 몰 수보다 작다.
기체 상태인 생성물의 몰 수가 기체 상태인 반응물의 몰 수보다 작은 경우 자유분방하게 움직일 수 있는 분자 수가 적어지므로 계의 엔트로피가 감소한다.
그러므로 반응 전후 계의 엔트로피 변화는 보다 작다. (O)
ㄷ. 반응은 자발적으로 일어나므로 이다.
이때 이고, 이므로 이 되기 위해서는 이어야 한다.
그러므로 반응 전후 주위의 엔트로피 변화는 보다 크다. (O)
따라서 정답은 번이다.