열역학적 평형의 정의와 성립 조건 알아보기

 열역학은 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium) 상태를 기본 전제로 물질과 계(system)를 분석하고 논하는 학문입니다. 여기서 평형(equilibrium)이란, 어떤 방향이나 흐름 없이 균형적인(balanced) 상태를 말하므로, 열역학적 평형이란 열역학적으로 상태가 유지되는 균형적인 것을 뜻합니다.

 열역학적 평형이 되어 있어야 우리는 상태량을 특정할 수 있고, 계산(분석)이 가능합니다. 예를 들어서 냄비가 가열되고 있어 온도가 올라가는 중이라면, 계속 온도라는 상태량이 변동하고 있기 때문에 값을 특정하지도 못하고 계산해도 의미가 없겠죠. 우리가 궁금한 것은 계가 상태 1에서 상태 2로 변했을 때의 변화량과 그 과정에서의 열(heat)과 일(work)의 출입이기 때문입니다.

 

열역학적 평형의 성립조건 4가지 총정리

 열역학적 평형은 다음 4가지 조건이 모두 만족해야 이룰 수 있답니다.

∇ 열적 평형(thermal equilibrium)을 이루어야 합니다. 시간에 따라 어떤 지점에서도 온도가 변하면 안 됩니다. 즉, 전체 계(system)에 걸쳐서 온도가 동일해야 합니다.

∇ 물리적 평형(=역학적 평형, mechanical equilibrium)이어야 합니다. 시간에 따라 어떠한 지점에서도 압력(pressure)에 따른 변화가 없어야 합니다. 다르게 표현하면, 외력에 의한 변동이 없이 균일해야 합니다.

∇ 상 평형(phase equilibrium)을 이루어야 합니다. 물질의 상 변화(상 전이)가 거시적으로 나타난다면 상 평형을 이루지 못하는 것이기 때문에 열역학적 평형 상태가 아닙니다. 다만, 계(system) 내부에 두 가지 상(phase)이 동시에 있더라도 만약 각 상(phase) 상태의 질량이 평형 상태라면 상 평형이 이루어지는 것입니다.

∇ 화학적 평형(chemical equilibrium)이 되어야 합니다. 시간에 따라 계(system)의 화학적 구성이 변하지 않고 유지되어야 하며 화학반응이 발생하지 않아야 합니다.

 위 4가지 평형 조건을 모두 만족할 때, 계가 열역학적 평형을 이루었다고 합니다. 위 조건 중에 단 하나라도 충족되지 않는다면, 열역학적으로 비평형(non-equilibrium)을 이루고 있다고 말합니다.

 

더 알아보기

 위의 4가지 조건(thermal, mechanical, phase, chemical)의 상태가 모두 동일한 두 계(system)는 열역학적으로 동일한 상태랍니다.

 

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