재료열역학 : 처음 배우는 학생을 위한 열역학-개정증보판

열역학은 열과 일의 출입에 따라 나타나는 자연현상의 원리를 탐구하는 학문으로, 자연과학을 다루는 물리학, 화학은 물론 기계공학, 화학공학, 재료공학을 비롯한 공학 전반의 기초 학문일 정도로 매우 중요한 학문 분야이다. 수학/물리/화학을 공부해야 이들을 기반으로 이루어진 응용 과학 또는 공학 분야 교육과정을 이해할 수 있는 것처럼, 열역학도 과학/공학 분야에서 물리/화학 다음으로 기초를 이루는 매우 중요한 학문이다. 그러함에도 불구하고 열역학은 처음 배우는 학생에게는 상당히 이해하기가 어려운 교과목으로 느껴지고 있다.

본 교재는 재료공학을 전공하는 학생들이 어려워하는 열역학을 최대한 이해하기 쉽게 그리고 내용이 체계적으로 연결될 수 있도록 구성함으로써, 처음 배우는 학생이 큰 어려움을 겪지 않고 열역학이라는 커다란 산을 오를 수 있도록 도와줄 목적으로 만들어졌습니다. 이를 위해 재료를 구성하고 있는 물질들의 안정성, 상태 변화, 그리고 화학반응을 지배하는 근본 원리 등 핵심 개념을 체계적으로 설명하였습니다. 특히 엔트로피의 물리적 의미를 탐구해 봄으로써 자연현상이 어떤 원리로 일어나는지를 이해할 수 있게 합니다. 아울러 자유에너지 개념을 도입하여 특정 조건에서 재료가 어떠한 거동을 하는지를 예측할 수 있게 해주는 원리를 배움으로써, 기체의 거동, 용액의 형성, 상 변태, 화학반응 등 재료에서 관찰되는 다양한 현상을 정량적으로 해석하고 예측할 수 있는 능력을 배양합니다.

[목 차]

1. 서론

[연습문제]

1. 열역학 제1, 2, 3 법칙

[연습문제]

Ⅲ. 상태, 상태변수 그리고 프로세스

[연습문제]

IV. 이상기체의 거동

IV-1 Boyle-Charles Gas Law

IV-2 Van der Waals Equation

IV-3 Internal Energies of Ideal Gas and Real Gas

[연습문제]

V. 상태 변화 과정과 열 용량

V-1 Processes of Ideal Gas

(1) 등체적과정 (Constant Volume Process)

(2) 등압과정 (Constant Pressure Process)

(3) 단열과정 (Adiabatic Process)

(4) 등온과정 (Isothermal Process)

V-2 Heat Capacity

V-3 Enthalpy, H

V-4 Temperature Change during an Adiabatic Process

[연습문제]

VI. 엔트로피의 통계역학적 해석

VI-1 Definition of Entropy S

VI-2 Statistical Interpretation of Entropy

VI-3 Thermal Entropy and Configurational Entropy

VI-4 Boltzmann Distribution Function

VI-5 Proof of InΩ being proportional to Clausius Entropy S

[연습문제]

VII. 가역과정과 비가역과정

VII-1 Irreversible Process

VII-2 Entropy of Irreversible Processes

[연습문제]

VIII. 보조함수

VIII-1 Geometric Relations

VIII-2 Auxiliary Functions

(1) Enthalpy

(2) Helmholtz Free Energy

(3) Gibbs Free Energy

VIII-3 Differentials of Auxiliary Functions

VIII-4 Maxwell Relations

VIII-5 Applications of Maxwell Relation using Experimentally determined Parameters

[연습문제]

IX. 엔탈피와 엔트로피 함수 그리고 Gibbs 자유에너지

IX-1 Enthalpy as a function of Temperature under a constant Pressure

IX-2 Entropy as a function of Temperature under a constant Pressure

IX-3 Gibbs Free Energy as a function of Temperature under a constant Pressure.

IX-4 Phase Diagram determined from Gibbs Free Energy Change with Temperature and Pressure

IX-5 Clapeyron Equation

IX-6 Clausius-Clapeyron Equation

[연습문제]

X. 실제기체의 거동

X-1 Temperature Variation by Heat Transfer under constant Pressure

X-2 Pressure Variation by Work Transfer under constant Temperature

X-3 Van der Waals Gas Model describing Real Gas Behavior

[연습문제]

XI. 혼합 기체의 거동

XI-1 Gibbs Free Energy Variation with Pressure under constant Temperature

XI-2 Mixture of Ideal Gases

XI-3 Partial Molar Quantities and their Physical Meanings

XI-4 Chemical Potential as a Partial Molar Quantities

XI-5 Equilibrium Vapor Pressure of a Component in Condensed Solutions

XI-6 Activity and Activity Coefficient

XI-7 Raoult's Law and Henry's Law

XI-8 Chemical Potential and Activity

[연습문제]

XII. 화학반응 평형

XII-1 Reactions involving Gases

XII-2 Effect of Temperature on Chemical Reaction Equilibrium

XII-3 Reference Pressure and Effect of Total Pressure on Chemical Reactions

XII-4 Reactions involving Pure Condensed Phases and a Gaseous Phase

(1) CO/CO2 비율 조절을 이용한 산소분압 조절

(2) H2/H2O 비율 조절을 이용한 산소분압 조절

XII-5 Reactions involving Condensed Solution Phases and a Gaseous Phase

[연습문제]

XIII. 상태도

XIII-1 Free Energy Change as a Solute dissolving into a Matrix

XIII-2 Gibbs Free Energy of a Binary System

XIII-3 Ideal Solution

XIII-4 Development of Phase Diagrams

XIII-5 Development of Eutectic Phase Diagrams

XIII-6 Development of Other Phase Diagrams

[연습문제]

XIV. 용액모델

XIV-1 Non-ideal Mixing

XIV-2 Regular Solution Model

[연습문제]

XV. 전기화학 [중급]

XV-1 lonization Energy of an Element

XV-2 Equilibrium in Two Phase Systems involving an Electrolyte

XV-3 Equilibrium in an Electrochemical Cell

XV-4 Standard Hydrogen Electrode

XV-5 Pourbaix Diagram

(1) The Stability of Water

(2) Pourbaix Diagram for Copper

[연습문제]

XVI. 우세 영역도 [중급] (Predominance Area Diagram)

XVI-1 Reactions of a Metal with a Single Gas Component

XVI-2 Reactions of a Metal with Two Gas Components

[연습문제]

XVII. 계면 열역학 [중급]

XVII-1 Geometry of Surfaces

XVII-2 Conditions for Equilibrium in Systems with Curved Interfaces

XVII-3 Equilibrium Conditions in Unary Systems with Curved Boundaries

XVII-4 Chemical Potential of Atoms on Curved Surfaces

[연습문제]

XVIII. 결정결함 (Defects in Crystals) [중급]

XVIII-1 Point Defects in Elemental Crystals

XVIII-2 Conditions for Equilibrium in a Crystal with Vacancies

XVIII-3 Equilibrium Concentration of Vacancies in a Crystal

XVIII-4 Point Defects in Stoichiometric Compound Crystals

(1) Frenkel Defects

(2) Schottky Defects.

(3) Defect Association

(4) Extrinsic Point Defects in Stoichiometric Compound Crystals

XVIII-5 Point Defects in Non-stoichiometric Compound Crystals

(1) 산소결핍형 산화물

(2) 산소과잉형 산화물

(3) Brouwer Diagram

(4) Extrinsic Point Defects in Non-stoichiometric Compound Crystals

[연습문제]

XIX. 자유에너지의 의미 [중급]

XIX-1 Euler Equation

XIX-2 Legendre Transformation

XIX-3 Free Energy Functions

XIX-4 Equilibrium Condition

[연습문제]

XX. 희박용액 (Dilute Solution) [중급]

XX-1 Activities in Dilute Solutions

XX-2 Transformation of Standard States

XX-3 Measurements of Activity

[연습문제]

XXI. 용액의 기준상태 [중급]

XXI-1 Standard State of Components in Solutions

[연습문제]

[주요 용어 정리]

부록

A. 주관식 문제.

B. 연습문제 [정량적 문제] 풀이

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