해설 보기
정답일정한 온도와 압력의 닫힌계에서 평형상태는 전체 깁스에너지가 최소인 상태입니다.
핵심 개념
평형의 정의와 깁스에너지 최소 조건
열역학에서 평형은 겉으로 드러나는 거시적 성질(온도·압력·조성)이 시간에 따라 변하지 않는 상태이지, 분자 수준의 운동까지 멈춘 정적 상태는 아닙니다. 정반응과 역반응이 같은 속도로 계속 일어나는 동적 평형이기 때문입니다. 평형 판정 기준은 구속 조건에 따라 달라지는데, 일정한 온도와 압력의 닫힌계에서는 전체 깁스에너지 G가 최소가 되는 지점이 평형입니다(dG_T,P = 0, d²G > 0). 또한 상평형 문제는 깁스 상률 F = 2 - π + N으로 자유도를 계산하며, 여기서 π는 상의 수, N은 성분 수입니다.
선지별 해설
①평형은 거시적 성질이 변하지 않을 뿐 분자 수준에서는 증발·응축, 정반응·역반응이 계속 일어나는 동적 평형이므로, 미시적 변화도 없는 정적 상태라는 표현은 틀렸습니다.
②단일 성분(N=1)의 기체·액체 2상(π=2) 평형이므로 F = 2 - 2 + 1 = 1입니다. 자유도가 1이어서 온도를 정하면 압력은 증기압으로 결정되므로 2가 아닙니다.
③온도와 압력이 일정한 닫힌계에서 자발적 변화는 dG < 0 방향으로 진행하고 더 이상 진행할 수 없는 지점에서 멈추므로, 평형은 전체 깁스에너지가 최소인 상태입니다. 정답입니다.
④평형에서 같아지는 것은 정반응과 역반응의 반응속도이지 반응속도상수가 아닙니다. 두 속도상수의 비가 평형상수(K = k정/k역)이므로 K가 1이 아닌 한 두 상수는 다릅니다.
해설 보기
정답ΔU = 50 J이므로 a-d-b 경로의 열은 Q = 50 + 10 = 60 J입니다.
핵심 개념
내부에너지의 상태함수 성질과 열역학 제1법칙
닫힌계의 열역학 제1법칙은 ΔU = Q - W(계가 한 일을 W로 둘 때)로 표현됩니다. 여기서 핵심은 내부에너지 U가 상태함수라는 점입니다. 즉 ΔU는 시작점 a와 끝점 b의 상태만으로 결정되며 어떤 경로를 거쳤는지와 무관합니다. 반면 열 Q와 일 W는 경로함수라서 경로가 달라지면 각각의 값이 달라집니다. 따라서 한 경로에서 ΔU를 구해 두면, 같은 두 상태를 잇는 다른 경로에서는 그 ΔU를 그대로 쓰고 Q와 W만 다시 맞춰주면 됩니다.