깁스에너지 Gibbs free energy

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깁스에너지 Gibbs free energy 

물질이 보유한 에너지에 대한 표현

고전열역학에서 사람 이름을 딴 몇 안되는 열역학 용어 중 하나이다. 

깁스에너지의 개념은 깁스가 처음 만들어 사용하였지만, 그는 이를 깁스에너지라고 부르지 않았다. 후대 연구자들이 깁스에너지라고 명명하였다.  

깁스는 물질이 보유한 에너지를 수학적 관계를 사용해 나타내고자 이론적 전개과정에서 깁스에너지의 개념을 도입하였다. 

깁스는 열역학 현상을 해석할 때, 실험적 모델을 사용하기보다 물리학과 수학에 기반을 둔 수리적인 모델을 주로 사용하였다. 열역학 이론에 벡터와 공간적인 개념을 많이 활용하였다. 

깁스에너지(G, Gibbs free energy)의 변화량은 부피변화(역학적인 일)을 제외하고 얻을 수 있는 최대의 일. 

온도와 압력의 변화량만 측정하여 물질의 에너지를 나타낼 수 있다. 

참고로,

내부에너지(U, internal energy)는 물질을 구성하는 분자가 미세한 운동을 함으로써 보유하는 에너지

엔탈피(H, enthalpy)는 내부에너지에 물질이 역학적인 일을 할 수 있는 에너지를 더한 총괄 에너지

주어지 계가 어떤 변화를 거치면서, 온도와 압력이 일정하고 동시에 외부에 해 준 일이 부피변화에 의한 일 밖에 없을 경우, 그 계의 깁스에너지의 변화는 없다. 

상변화(phase change) 과정에서는 온도와 압력이 변하지 않는다. 따라서 깁스에너지도 변화하지 않는다. 

상평형 해석의 출발점이 된다. 

잠재에너지 Chemical potential 

계 전체의 에너지 변화를 나타내기 위해서 도입. 

물질의 잠재에너지란 어떤 물질의 단위 질량당 혹은 단위 몰당 가지는 깁스에너지와 같다고 할 수 있다.

하지만 물질의 깁스에너지와 잠재에너지는 항상 같지않다.  

 

물질의 잠재에너지란 어떤 성분이 혼합물상에 존재할 때, 그 성분이 가지는 깁스에너지를 말한다. 

물질의 이동을 유발하는 추진력을 나타내는 개념이다. 

물질의 압력(chemical pressure)이라고 부르기도 한다. 

퓨개시티 fugacity 

물질이 달아나려고 하는 정도를 의미. 비산도(飛散度) 혹은 휘산도(揮散度)라고 한다. 

류개시티(fugacity)의 어원은 라틴어의 명사 fuga(도망) 혹은 형용사인 fugacis(달아나는)이며, 이는 영어로 fly 혹은 flee의 뜻을 가진다. 

어떠한 물질이 외부로 탈출하려고 하는 성향의 크기이며 온도와 밀접한 관계를 가지고 있다. 

물질의 상평형을 설명하기 위해 퓨개시티의 개념을 1901년 MIT 물리학화 교수 루이스(Gilbert N. Lewis)가 도입하였다. 

혼합물로 이루어진 두 개 이상의 상이 평형에 있을 때, 서로 다른 상 사이에 물질이 이동하는 현상을 설명하기 위해 '이탈성향(escaping tendency)'이란 용어를 사용하였다. 루이스는 이탈성향의 개념을 온도와 열의 이동에 대한 관계를 통해 설명하였다. 

$$ dG = - SdT + Vdp $$

(ideal gas)

$$ PV = RT $$ 

$$ G = RTlnP + B $$

이상기체 상태방정식을 적용해 깁스에너지를 구하면, 압력 P가 0에 가까워지면 깁스에너지G 값은 음의 무한대로 된다. 그러므로 깁스에너지는 수학적인 관점에서 직접 사용하기 어려운 점이 있었다. 

실제 기체의 경우는 이탈성향과 증기압이 다르기 때문에, 루이스는 증기압을 수정하여 이탈성향으로 사용하였다. 이렇게 '수정된 증기압'을 퓨개시티 fugacity라고 불렀다. 

참고

[1] 열역학 개념의 해설, 여상도

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2017. 04. 12 작성

2020. 07. 16 서식수정