상태량 개념정리 : 상태량의 정의와 여러 표현들

 상태량은 영어로 'Quantity of State'입니다. 한글로 풀이하면 '물질계의 거시적인 상태에 대해 정해진 양'인데요. 필자는 상태량을 '어떤 물질의 현재 상태를 표현하는 양'이라고 정의합니다. 예를 들어 신발의 질량이 200g이라면, 200g은 현재 신발의 질량 상태를 나타내는 값이죠? 따라서 이 신발의 질량에 대한 상태량은 200g이 되겠습니다.

 

상태량을 쓰는 이유는 무엇일까?

 공학(engineering)은 기본적으로 자연의 것들을 이용하여 인간에게 유용한 무엇인가를 창조하는 학문입니다. 그렇기 때문에 필연적으로 이 물질의 현재 상태를 알아야 하고, 어떤 과정(process)을 거친 이후의 상태를 알아야 합니다. 그래야 공학적 행위에 의한 물질의 변화를 확인할 수 있고, 인간이 자연을 효율적으로 사용할 수 있으니까요. 만약 상태량을 쓰지 않고, 언어로만 표현한다면 어떻게 될까요?

 차가운 물과 미지근한 물, 그리고 따뜻한 물이 있다고 상상해봅시다. 이때 차가운 물과 미지근한 물은 어떻게 다를까요? 또는, 차가운 물과 미지근한 물 사이의 물은 어떻게 표현할까요? 그리고 차가운 물을 따뜻한 물로 만들려면 얼마나 가열해야 할까요? 미지근한 물은 외국인에게 어떻게 설명해주어야 할까요?

 이런 질문들에 대해 '언어'로 답을 해주기는 상당히 어렵습니다. 하지만 상태를 숫자(양)로 표현한다면 모든 대답이 가능해지죠. 차가운 물의 온도는 15℃이고, 미지근한 물의 온도가 30℃라고 한다면, 그 차이는 15℃로 표현할 수 있습니다. 15℃ 물과 30℃ 물 사이에는 17℃ 물도 있고 24℃ 물도 있습니다. 만약 차가운 물의 내부 에너지가 1,000J이고 따뜻한 물의 내부 에너지가 2,000J이라면, 차가운 물을 따뜻한 물로 만들기 위해서 1,000J의 에너지가 주어질만큼만 가열하면 되겠습니다. 이렇듯 물질의 현재 상태를 '양'으로 나타낸다면 많은 것들을 표현하고 소통할 수 있습니다. 그리고 수학적인 계산 역시 가능하지요.

 

상태량의 또 다른 여러 표현들

 열역학 도서를 보면, '열역학적 상태량'이라는 표현이 있습니다. 사실 열역학적 상태량은 상태량과 별 차이가 없습니다. 열역학에서 (많이) 쓰이는 상태량을 열역학적 상태량이라고 표현하는 것이죠. 또는 '열역학적 성질'이라고 말하기도 한답니다.

 조금 어려운 표현도 있습니다. '상태 1에서 2로 물질이 변화할 때, 그 변화가 최종 상태의 대응 양과 최초 상태의 대응 양의 차만으로 구해지는 경우, 그 양'을 상태량이라고 합니다.

 예를 들어서, 20℃의 공기가 30℃의 공기로 변화했다고 가정해볼까요? '물질'은 공기이고, '상태 1'은 20℃, '상태 2'는 30℃로 대응될 것입니다. '상태 1'에서 '상태 2'로 물질이 변화했으니, 최초 상태는 '상태 1'이고, 최종 상태는 '상태 2'이겠죠? 이때, 이 변화(20℃→30℃)를 최종 상태의 대응 양(30℃)과 최초 상태의 대응 양(20℃)의 차(10℃)로 구할 수 있습니다. 이런 경우에 그 양(=대응 양 : 20℃, 30℃)을 '상태량'이라고 부릅니다. 한 물질의 변화를 (숫자) 차이로 표현할 수 있는 양을 '상태량'이라고 생각한다면 이해하기 더 쉽겠죠? 만약 노르스름한 상태에서 노란 상태로 변했다고 표현한다면, 변화의 차이를 양으로 표현할 수 없으니 '노르스름하다'와 '노랗다'는 상태량이 아닌게 되는 것입니다.

 

더 알아보기

 열역학적 상태량이 아닌 것을 찾는 문제는 상태량이 아닌 보기를 찾으면 정답일 가능성이 큽니다.

 

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