엔트로피와 엔탈피에 대해 설명해보세요.

엔트로피와 엔탈피는 상태함수이고 다음과 같이 표기된다.

엔트로피는 과정에 상관없이 처음과 나중 상태의 온도와 부피의 변화에 의해 결정되는 값이다.

엔탈피는 압력이 일정하고 마찰 등에 대해 잃거나 얻은 일이 없다면 H=Q로 정리되어 계의 열출입을 뜻하는 것이라고 볼 수 있다.

(1) 엔트로피

엔트로피는 이론적으로 물질계가 흡수하는 열량 dQ와 절대온도 T와의 비로 정의되며 식으로 나타내면 다음과 같다.

여기에서 dS는 물질계가 열을 흡수하는 동안의 엔트로피 변화량이다. 열기관의 효율을 이론적으로 계산하는 이상기관의 경우는 모든 과정이 가역과정이므로 엔트로피는 일정하게 유지된다. 일반적으로 현상이 비가역과정인 자연적 과정을 따르는 경우에는 이 양이 증가하고, 자연적 과정에 역행하는 경우에는 감소하는 성질이 있다. 그러므로 자연현상의 변화가 자연적 방향을 따라 발생하는가를 나타내는 척도이다.

대부분 자연현상의 변화는 어떤 일정한 방향으로만 진행한다. 즉, 자연현상의 변화는 물질계의 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다. 이것을 엔트로피 증가의 법칙이라고 한다. 예를 들면, 온도차가 있는 어떤 2개의 물체를 접촉시켰을 때, 열 q가 고온부에서 저온부로 흐른다고 하면 고온부(온도 T1)의 엔트로피는 q/T1만큼 감소하고, 저온부(온도 T2)의 엔트로피는 q/T2만큼 증가하므로, 전체의 엔트로피는 이 변화를 통하여 증가한다. 역으로 저온부에서 고온부로 열이 이동하는 자연현상에 역행하는 과정, 예를 들면 냉동기의 저온부에서 열을 빼앗아 고온부로 방출하는 과정에서 국부적으로 엔트로피가 감소하지만, 여기에는 냉동기를 작동시키는 모터 내에서 전류가 열로 바뀐다는 자연적 과정이 필연적으로 동반하므로 전체로서는 엔트로피가 증가한다.

때때로 자연현상은 국부적으로 엔트로피가 감소하는 비자연적 변화를 따르는 것도 있지만, 그것에 관계되는 물질계 전체를 다루어 보면, 항상 엔트로피를 증가시키는 방향으로 현상이 변화한다. 이 이론은 자연현상이 일어나는 방향을 정하는 것으로서, 에너지보존법칙과 함께 열역학의 기본법칙으로서 중요하다. 이상기체에서 엔트로피가 증가하지 않는 것은 가역변화라고 하는 비현실적인 변화를 가정하고 있기 때문이다.

엔트로피는 물질계의 열적 상태로부터 정해진 양으로서, 통계역학의 입장에서 보면 열역학적인 확률을 나타내는 양이다. 엔트로피 증가의 원리는 분자운동이 확률이 적은 질서 있는 상태로부터 확률이 큰 무질서한 상태로 이동해 가는 자연현상으로 해석한다. 예를 들면, 마찰에 의해 열이 발생하는 것은 역학적 운동(분자의 질서 있는 운동)이 열운동(무질서한 분자운동)으로 변하는 과정이다. 그 반대의 과정은 무질서에서 질서로 옮겨가는 과정이며, 이것은 자발적으로 일어나지 않는다.

(2) 엔탈피

물질계의 내부에너지가 U, 압력이 p, 부피가 V일 때 그 상태의 엔탈피 H는 H=U＋pV로 표시한다. 원래 내부에너지는 절대값을 얻기 힘든 양이므로 보통 엔탈피는 열적 변화에 따르는 증감만을 문제로 삼는다.

일정한 압력 하에서 물질계에 드나든 열량은 물질계 엔탈피의 증감과 같아진다. 이에 비해 부피를 일정하게 유지한 채 물질계가 주고받은 열량은 내부에너지의 변화량이 된다. 또한 엔탈피는 상태함수이기 때문에 출발 물질과 최종 물질이 같은 경우에는 어떤 경로를 통해서 만들더라도 그 경로에 관여한 엔탈피 변화의 합은 같다. 이를 헤스의 법칙이라고 한다.

대부분의 화학반응은 일정한 압력 하에서 일어나므로 엔탈피는 중요하다. 화학반응에서 반응열을 표시하는 데 사용하고, 이론화학 등에서 분자열이나 원자열을 계산할 때 사용한다. 엔탈피는 현실적으로도 중요하다. 예를 들어, 우주선 추진 로켓의 경우, 발생하는 열은 물을 기화시키고 이 수증기와 이산화탄소의 팽창은 추진력을 제공한다. 이와 같은 화학반응에서 열이 얼마나 발생할지를 예측하기 위해서는 물질의 엔탈피는 알아야 한다. 엔탈피는 상태함수이기 때문에 반응물과 생성물의 엔탈피를 알면 화학변화에 대한 엔탈피를 변화를 계산할 수 있다.