계
[ system ]
계(system)는 열역학의 관심 대상을 말한다. 병에 담긴 물 100g이 계가 될 수 있으며, 사람의 몸 또는 지구 전체도 계가 될 수 있다. 계의 상태는 온도, 압력, 부피, 몰 수 등의 열역학적 변수에 따라 결정된다. 우주에서 계를 제외한 모든 부분이 주위(surroundings)가 된다. 계는 주위와 에너지와 물질을 주고받으며 상태가 변화한다.
계가 가지고 있는 모든 에너지를 내부 에너지(@@NAMATH_INLINE@@U@@NAMATH_INLINE@@)라고 한다. 내부 에너지는 온도, 압력, 부피, 몰 수 등의 함수로 주어진다. 미시적 관점에서 내부 에너지는 계를 이루고 있는 모든 입자의 전자, 진동, 회전, 병진 에너지를 포함한다. 우리가 에너지의 모든 형태를 알지 못하기 때문에 계의 절대 에너지값을 알 수는 없다. 주위와 에너지를 주고받으면 내부 에너지가 변화한다. 내부 에너지 변화량은 계가 주고받은 열과 일의 합이다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\Delta U_{system} = q + w@@NAMATH_DISPLAY@@
따라서 열과 일의 양을 측정하면 내부 에너지 변화량을 구할 수 있다.
그림 1. 계 (출처: 대한화학회)
목차
주위와 우주
계는 열역학적으로 관심이 있는 우주의 한 부분이다. 따라서 계를 제외한 우주 전체를 주위 또는 환경이라고 한다. 계와 주위 사이를 경계(boundary)라고 한다. 우주의 총 에너지는 일정하기 때문에 계가 얻은 에너지의 양은 주위가 잃은 에너지의 양과 같다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\Delta U_{system} + \Delta U_{surrounds} = \Delta U_{universe}@@NAMATH_DISPLAY@@
계의 종류
계는 주위와 에너지 또는 물질을 주고받으며 그 상태가 변화한다. 주위와의 상호작용 형태에 따라 계를 다음과 같이 구분한다(그림 2).
- 열린계(open system): 에너지와 물질의 교환이 모두 가능한 계를 말한다. 열려있는 비이커 속에 들어있는 시약은 열린계이다. 하지만 모든 종류의 에너지와 물질이 교환 가능한 것은 아니며, 계에 따라 특정 종류의 에너지와 물질의 교환이 가능하다.
- 닫힌계(closed system): 에너지의 교환은 가능하지만, 물질의 교환은 불가능하다. 따지 않은 캔 속의 음료수는 닫힌계이다.
- 고립계(isolated system): 에너지와 물질의 교환이 모두 불가능하다. 엄밀하게 말하면 우주는 유일한 고립계이다.
그림 2. 계의 종류 (출처: 대한화학회)
동의어
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