발열 반응 시 계와 주위의 온도 변화

발열 반응 시 계와 주위의 온도 변화

 

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▶ 참고: 계의 3가지 형태. 계의 종류

[ https://ywpop.tistory.com/1980 ]

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발열 반응이 일어나는 용액에 온도계를 넣으면, 온도가 올라갑니다.

온도를 올라가게 하는 이 열은 어디에서 나온 것일까요?

 

그리고 이때 용액이 든 비커를 만져보면 따뜻함을 느낄 수 있습니다.

따뜻함이 느껴지는 것은 계의 온도가 올라가서일까요?

아니면 주위의 온도가 올라가서일까요?

 

 

 

이 의문에 대한 해결책은

열역학 제1법칙으로 얻을 수 있습니다.

 

 

 

▶ 열역학 제1법칙 = 에너지 보존의 법칙

 

▶ 에너지 보존의 법칙

① 열(q)과 일(w)의 형태가 바뀔 뿐,

우주(= 계 + 주위)의 전체 에너지는 항상 일정하다.

 

② 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있지만,

새로 창조되거나 파괴될 수 없다.

 

 

 

열역학 제1법칙을

계의 내부 에너지(ΔE 또는 ΔU)로 나타내면 다음과 같습니다.

ΔE = q + w

( 참고 https://ywpop.tistory.com/5134 )

 

① 주위가 계에 열을 가하거나 일을 해주면,

⇨ +q, +w ⇨ 열 또는 일의 형태로 에너지 흡수

⇨ 계의 내부 에너지 증가 (ΔE > 0)

 

② 계가 주위에 열을 가하거나 일을 해주면,

⇨ –q, –w ⇨ 열 또는 일의 형태로 에너지 방출

⇨ 계의 내부 에너지 감소 (ΔE < 0)

 

 

 

이제 발열 반응이 일어나고 있는 비커로 되돌아갑시다.

 

온도계의 수은주를 올라가게 한 열은

계의 내부 에너지가 열의 형태로 주위로 에너지를 방출한 결과입니다.

( 이 과정에서 계의 에너지는 감소하고,

또한 그만큼 주위의 에너지는 증가하기 때문에,

우주의 에너지는 변하지 않습니다. )

 

발열 반응이 일어나면, 주위의 온도는 올라갑니다.

그렇지만 이때 “계의 온도는 내려간다.”고 하지는 않습니다.

다만, “계의 내부 에너지가 감소한다.”고 합니다.

 

 

 

그럼 여기서 ‘계’와 ‘주위’란 무엇일까요?

 

반응이 일어나는 화합물 자체가 계이고, 그 나머지는 주위가 됩니다.

 

 

 

 

[ 그림 출처 Wikimedia ] exothermic reaction.

 

 

 

▶ 단열계에서 화학 반응이 일어날 때,

> 흡열 반응이면, 계의 온도는 감소.

( 흡열 반응은 반응을 일으키는데 열이 필요한 반응.

반응 과정에서 이 열을 소비하기 때문에,

단열계에서는 온도가 감소한다. )

 

> 발열 반응이면, 계의 온도는 증가.

 

 

 

▶ 반면에, 투열 용기(닫힌계) 속에서 화학 반응이 일어날 때,

> 흡열 반응이면, 계의 온도가 감소하지만,

에너지가 열의 형태로 주위에서 계로 이동.

---> 계의 온도 변화는 없다. (등온)

 

> 발열 반응이면, 계의 온도가 증가하지만,

에너지가 열의 형태로 계에서 주위로 이동.

---> 계의 온도 변화는 없다. (등온)

 

 

 

 

[키워드] 발열 반응 기준문서, 흡열 반응 기준문서