화학에서 에너지(energy)가 의미하는 것은 무엇일까?
에너지는 ' 일을 할 수 있는 능력 ' 이다.
분자가 어떤 형태를 취하는지 ??
반응이 일어날 것인지 ??
얼마나 빨리 일어날 것인지 ??
어떤 방향으로 반응이 진행하려는 경향이 있는지 ??
이런 현상들에 대해 에너지가 결정한다는 것이다.
그래서 에너지의 위치를 추적하는 것이 필요하다!!
여기에서 에너지를 설명할 도구로 표현되는
계(system)
&
주위(surroundings)
의 개념에 대해 알아보자.
1. 에너지 보존 법칙(conservation of energy)
에너지는 생성되거나 소멸되지 않고
한 형태에서 다른 형태로 변형되는거나
한 장소에서 다른 장소로 이동되는 것이다.
이런 에너지 보존 법칙은 화학 반응에서 매우 중요하다!!!
화학 반응은 진행되면서
열을 흡수되거나 열을 방출한다.
이러한 모든 변화는
한 형태에서 다른 형태로의 ' 에너지 전환 '
또는
한 장소에서 다른 장소로의 '에너지 이동'
이다.
에너지 생성이나 소멸이 아니다!!
(예시)
댐에서 물이 낙하(위치 에너지) → 터빈을 움직인다(운동 에너지) → 전기로 변환(전기 에너지)
2. 계(system) 와 주위(surroundings) 란 무엇인가?
화학 반응에서 에너지의 변화를 추적할 때,
반응을 외부와 분리해서 생각하는 것이 도움이 된다.
그래서 계와 주위라는 개념의 이해가 필요하다.
2-1. 계(system)
- 특별한 관심을 갖는 세계의 한 부분
- 어떤 특정 실험을 진행할 때, 직접 관심의 대상이 되는 우주의 한 부분
즉, 관심의 초점이 되는 것들 !!
예) 출발 물질, 최종 생성물 등
2-2. 주위(surroundings)
- 우리가 관찰하는 곳. 계에 대한 관찰이 이루어지는 곳.
- 관심의 대상(계)가 어떤 과정이 진행되는 중에
계와 에너지 및 물질을 주고 받을 수 있는 우주의 나머지 부분
- 주위는 과정이 진행 중일 때에 계의 성질을 변화시키는 외부의 힘을 제공.
즉, 관심의 초점 이외의 나머지 것들 !!
예) 반응 용기, 실험실, 건물 등
3. 계(system) 종류 ?
3-1. 열린 계(Open system)
- 에너지와 물질을 주위와 교환할 수 있는 계.
- 계 안에 있는 물질의 양이 시간에 따라 변할 수 있음.
(예시)
- 밥 먹고 호흡하고 땀을 흘리거나 배설하는 것.
- 마개가 열려 있는 플라스크(초자)에 여러 가지 물질을 첨가되는 것.
3-2. 닫힌 계(Closed system)
주위와 에너지는 교환할 수 있느나
물질은 교환할 수 없는 계
(예시)
- 마개가 닫힌 플라스크
3-3. 고립 계(Isolated system)
- 에너지나 물질 모두 주위와 교환할 수 없는 계.
- 실제로 화학 반응을 주위로부터 고립시키는 것은 불가능.
WHY?
계의 시료들이 용기의 벽과 물리적으로 접촉되어 있음.
그 용기는 실험대와 닿을 수 있음.
4. 계와 주위의 에너지 변화 측정은 ?
4-1. 계(system) 와 주위(surroundings)를 통해 얻고자 하는 것은??
① 에너지가 주위에서 계로 흘러 들어오거나
② 계를 떠나 주위로 흘러 나가는 에너지를 측정하는 것!!
즉, ΔE 로 표시되는 계의 내부 에너지 변화를 측정.
ΔE ('델타 이' 라고 읽는다.)
ΔE = E최종 - E초기
ΔE 는 계의 초기 상태와 나중 상태의 에너지 차이
4-2. 계(system) 와 주위(surroundings) 에너지 측정 방법
★★에너지 변화는 계의 관점에서 측정 ★★!!
① 에너지 이동 : 계 → 주위
계가 에너지를 잃는 것. 즉, 계가 에너지가 감소되는 것이기에 음의 부호 사용.
ΔE = E최종 - E초기
E최종 이 (계의 에너지가 감소하여) E초기 보다 작으므로 음의 부호
(예시) 1 mol 메탄을 태우면 900 kJ 에너지 방출
해석 : 계에서 에너지가 주위로 열의 형태로 이동
즉, 계는 에너지를 잃음(감소). 음의 부호 적용.
ΔE = - 900 kJ
② 에너지 이동 : 주위 → 계
계가 에너지를 얻는 것. 즉, 계가 에너지가 증가되는 것이기에 양의 부호 사용.
ΔE = E최종 - E초기
E최종 이(계의 에너지가 증가하여) E초기 보다 크므로 양의 부호
계와 주위에 대한 개념을 이해하여
에너지 보존 법칙 & 일과 열의 이동 & 평형 상태 등을
다음 시간에 알아보겠습니다.
학업에 도움되시길 바랍니다.
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Written by K-Lab Zone (K-LZ)