깁스 에너지의 뜻
G = H − TS로 정의되는 상태량. 온도와 압력이 일정한 조건에서는 G가 감소하는 방향으로 변화가 자발적으로 진행되며, G가 최소인 상태가 평형이 된다.
일본어 명칭: ギブスエネルギー
‘깁스 에너지’ 관련 연습 문제는 3개 분야에 6문제가 있습니다(재료 열역학, 계산 재료과학, 전지·에너지 재료 등).
이 용어의 분야: 재료 열역학
깁스 에너지 연습 문제에 도전
수소와 산소로부터 액체의 물이 생기는 반응 H₂ + 1/2 O₂ → H₂O(l)의 표준 깁스 에너지 변화는 25℃에서 −237 kJ/mol이다. 이 반응을 이용하는 연료 전지의 이론 기전력에 가장 가까운 것은 무엇인가? 패러데이 상수는 96485 C/mol로 한다.
- A약 2.46 V
- B약 1.23 V
- C약 0.61 V
정답과 해설 보기
정답: B. 약 1.23 V
이론 기전력은 E = −ΔG/(nF)이며, H₂ 1 mol이 반응하면 전자는 2 mol 이동하므로 n = 2입니다. E = 237×10³ / (2 × 96485) ≈ 1.23 V가 됩니다. 약 2.46 V는 n = 1로 한 오류이고, 약 0.61 V는 O₂ 1 mol당 전자 수 n = 4를 H₂ 1 mol당 ΔG와 조합한 오류입니다. 덧붙여, 반응의 엔탈피 변화(−286 kJ/mol)에 대한 깁스 에너지 변화의 비 237/286 ≈ 83%가 25℃에서의 이론 효율의 기준이 됩니다. 실제 전지에서는 전극의 과전압이나 전해질의 저항 때문에 작동 전압이 0.6~0.8 V 정도로 떨어집니다.
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.
- A모든 조성에서 음이며, x → 0에서의 기울기는 음의 무한대이므로 극소량의 용질은 어느 물질에나 녹는다
- B혼합 엔탈피에서 생기므로 온도에 관계없이 일정하며, 조성에 따라서는 양이 되어 상분리한다
- Cx = 0.5에서 최대의 양의 값이 되며, 순물질에 가까운 조성일수록 혼합하기 어렵다
정답과 해설 보기
정답: A. 모든 조성에서 음이며, x → 0에서의 기울기는 음의 무한대이므로 극소량의 용질은 어느 물질에나 녹는다
이상 용액에서는 혼합 엔탈피가 0이며, ΔG_mix = −TΔS_mix는 혼합 엔트로피만으로부터 생깁니다. 0 < x < 1에서 ln x는 음이므로 ΔG_mix는 모든 조성에서 음이 되며, x = 0.5에서 최솟값 RT ln 0.5를 취합니다(1000 K에서 약 −5.76 kJ/mol). x → 0에서 기울기 d(ΔG_mix)/dx = RT ln[x/(1 − x)]는 음의 무한대로 향하므로, 용질을 아주 조금 녹이기만 해도 반드시 자유 에너지가 낮아집니다. 이것이 완전히 순수한 물질을 만들기 어려운 열역학적 이유입니다. ΔG_mix는 T에 비례하며 엔탈피와는 관계가 없습니다. x = 0.5에서 최대가 되는 것은 혼합 엔트로피이며, ΔG_mix는 그곳에서 최소입니다.
해설 속의 ‘깁스 에너지’
덧붙여, 반응의 엔탈피 변화(−286 kJ/mol)에 대한 깁스 에너지 변화의 비 237/286 ≈ 83%가 25℃에서의 이론 효율의 기준이 됩니다.
수소와 산소로부터 액체의 물이 생기는 반응 H₂ + 1/2 O₂ → H₂O(l)의 표준 깁스 에너지 변화는…온도와 압력이 일정할 때, 계의 깁스 에너지 G = H − TS가 줄어드는 방향(ΔG < 0)으로 변화가 자발적으로 진행되며, ΔG = 0에서 평형이 됩니다.
온도와 압력이 일정한 조건에서, 닫힌계의 변화가 자발적으로 진행되는지를 판정하는 양과 조건의 조합으로 옳은…몰당 깁스 에너지를 조성에 대해 그리면, 이것은 두 곡선에 공통 접선을 긋는 것에 해당하며, 두 접점이 평형을 이루는 두 상의 조성이 됩니다.
일정한 온도와 압력에서 이원계의 α상과 β상이 평형으로 공존하기 위한 조건으로 옳은 것은 무엇인가?CALPHAD(CALculation of PHAse Diagrams)법에서는 액상, 고용체, 화합물 등 각 상의 깁스 에너지를 순물질 항, 이상 혼합 항, 상호 작용을 나타내는 과잉 항의 합으로 나타냅니다.
CALPHAD법에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?다원계의 모든 조성에서 실험하는 것은 불가능하지만, 깁스 에너지 모델을 사용하면 이원계와 삼원계에서 정한 파라미터를 조합하여 다원계의 값을 외삽할 수 있습니다.
10종류 가까운 원소를 포함하는 Ni기 초내열합금이나 강에서 CALPHAD법을 사용하여 석출하는 상과 그 …
‘깁스 에너지’ 관련 문제(6문제)
- 수소와 산소로부터 액체의 물이 생기는 반응 H₂ + 1/2 O₂ → H₂O(l)의 표준 깁스 에너지 변화는 25℃에서 −237 kJ/mol이다. 이 반응을 이용하는 연료 전지의 이론 기전력에 가장 가까운 것은 무엇인가? 패러데이 상수는 96485 C/mol로 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.
- 온도와 압력이 일정한 조건에서, 닫힌계의 변화가 자발적으로 진행되는지를 판정하는 양과 조건의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
- 일정한 온도와 압력에서 이원계의 α상과 β상이 평형으로 공존하기 위한 조건으로 옳은 것은 무엇인가?
- CALPHAD법에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 10종류 가까운 원소를 포함하는 Ni기 초내열합금이나 강에서 CALPHAD법을 사용하여 석출하는 상과 그 분율을 예측한다. 그 사고방식과 주의점의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
관련 용어
CALPHAD법 혼합 엔트로피 화학 퍼텐셜 밀도 범함수 이론 Ni기 초내열합금 스피노달 분해 엘링엄 도표 정규 용액 평형 산소 분압 활동도