재료 열역학
깁스 에너지와 자발적 변화의 조건, 엘링엄 도표 읽는 법, 평형 산소 분압과 H₂/H₂O 비, 활동도와 활동도 계수, 이상 용액과 정규 용액의 혼합 자유 에너지, 스피노달 분해를 3지선다 문제로 확인할 수 있습니다. 계산 문제에도 해설이 있습니다.
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재료 열역학 핵심 정리
온도와 압력이 일정할 때 변화는 깁스 에너지 G = H − TS가 감소하는 방향으로 진행되며, ΔG = 0에서 평형이 됩니다. 산화물의 안정성을 비교하는 엘링엄 도표는 O₂ 1 mol당 생성 ΔG°를 온도에 대해 그린 도표로, 아래쪽 선의 금속일수록 안정한 산화물을 만들며 위쪽 선의 산화물을 환원할 수 있습니다. ΔG° = RT ln pO₂로부터는 금속과 산화물이 공존하는 평형 산소 분압을 구할 수 있습니다.
용액이나 고용체 속 성분의 유효 농도가 활동도로, 이상 용액에서는 몰분율과 같으며 이상 용액으로부터의 편차는 활동도 계수로 나타냅니다. 고용체의 자유 에너지는 혼합 엔트로피에 의한 감소와 혼합 엔탈피의 균형으로 결정되며, 정규 용액 모델에서 서로 다른 원자끼리 반발하면 저온에서 용해도 갭이 나타납니다. 두 상의 평형 조성은 공통 접선으로 결정되며, 갭의 안쪽에서는 스피노달 분해가 일어납니다.
재료 열역학 문제 목록(15문제)
- 온도와 압력이 일정한 조건에서, 닫힌계의 변화가 자발적으로 진행되는지를 판정하는 양과 조건의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
- ΔH > 0, ΔS > 0인 반응(예를 들어 탄산염의 열분해)에 대해 옳은 것은 무엇인가? ΔH와 ΔS는 온도에 관계없다고 한다.
- 탄산칼슘의 분해 CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)의 표준 반응 엔탈피를 ΔH° = +178 kJ/mol, 표준 반응 엔트로피를 ΔS° = +161 J/(mol·K)라 하고, 둘 다 온도에 관계없다고 한다. CO₂의 분압이 1 bar인 표준 상태에서 분해가 자발적으로 진행되기 시작하는 온도(ΔG° = 0이 되는 온도)에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 엘링엄 도표에서 많은 금속의 산화 반응 2M(s) + O₂(g) → 2MO(s)의 ΔG° 직선이, 온도가 높을수록 ΔG°가 커지는(0에 가까워지는), 오른쪽 위로 올라가는 모양이 되는 주된 이유는 무엇인가?
- 엘링엄 도표에서 탄소의 반응 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g)의 직선에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 엘링엄 도표에서는 모든 산화물의 생성 반응을 O₂ 1 mol당 ΔG°로 맞추어 그린다. 그렇게 하는 주된 이점은 무엇인가?
- 1000℃에서 4/3 Al + O₂ → 2/3 Al₂O₃의 ΔG°를 −850 kJ/mol, 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃의 ΔG°를 −530 kJ/mol이라고 한다(둘 다 O₂ 1 mol당). 2/3 Cr₂O₃ + 4/3 Al → 2/3 Al₂O₃ + 4/3 Cr의 ΔG°와 반응이 진행되는 방향의 조합으로 옳은 것은 무엇인가? 모두 순물질이라고 한다.
- 1000 K에서 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s)의 ΔG°가 −298 kJ/mol이다. Ni과 NiO가 공존하는 평형 산소 분압에 가장 가까운 것은 무엇인가? Ni과 NiO는 순수한 고체(활동도 1), 표준 압력을 1 bar, 기체 상수를 8.314 J/(mol·K), ln 10 = 2.303으로 한다.
- 1000 K에서 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g)의 ΔG°를 −385 kJ/mol, 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s)의 ΔG°를 −298 kJ/mol이라고 한다. H₂–H₂O 혼합 가스 속에서 니켈을 풀림할 때, Ni과 NiO가 평형이 되는 분압비 pH₂O/pH₂에 가장 가까운 것은 무엇인가(비가 이보다 작으면 Ni은 산화되지 않는다)? 기체 상수를 8.314 J/(mol·K)로 하고, Ni과 NiO는 순수한 고체라고 한다.
- 용액(액체 또는 고용체) 속 성분의 활동도에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 어떤 온도에서 순수한 Cr과 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압을 p₀라고 한다. 같은 온도에서 Cr의 활동도가 0.10인 합금과 순수한 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압은 p₀의 약 몇 배인가? 반응은 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃로 한다.
- 이상 용액(이상 고용체)의 혼합 깁스 에너지 ΔG_mix = RT[x ln x + (1 − x) ln(1 − x)]에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가? x는 한 성분의 몰 분율이다.
- 정규 용액 모델에서는 혼합 엔탈피를 ΔH_mix = Ωx(1 − x)(Ω는 온도에 관계없는 상호 작용 파라미터)로 하고, 혼합 엔트로피는 이상 용액과 같다고 한다. Ω = +20 kJ/mol일 때, 고용체가 2상으로 나뉘는 영역(용해도 갭)이 사라지는 임계 온도 Tc = Ω/(2R)에 가장 가까운 것은 무엇인가? 기체 상수를 8.314 J/(mol·K)로 한다.
- 일정한 온도와 압력에서 이원계의 α상과 β상이 평형으로 공존하기 위한 조건으로 옳은 것은 무엇인가?
- 용해도 갭을 가지는 고용체를 고온의 1상 상태에서 급랭하여, 갭 안쪽의 온도에서 유지했다. 스피노달 분해에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?