재료 특성의 열역학적 관점

재료 특성의 열역학적 관점

재료 특성의 열역학적 관점

열역학적 개념을 가지고 있어야 할 것 같아 열역학에 대해서 조금만 얘기하도록 하겠습니다. 하지만 기본적인 것은 아셔야 하는데, 우리가 열역학에서 가장 중요한 것 중 하나가 자유 에너지(free energy)라는 개념입니다. Free energy란 개념을 막연하게 생각하는 경우가 있는데 아주 간단하게 정의할 수 있습니다. Free energy가 무엇이냐 하면 바로 일입니다. 어떤 가지고 있는 시스템이 할 수 있는 최대의 일을 free energy라고 합니다. 다르게 말하면 일로 전환할 수 있는 에너지의 총합이라고 생각하시면 됩니다. Free energy를 수식으로 나타내게 되면 ΔG=ΔH(엔탈피)-T×(ΔS)(엔트로피)를 Gibbs free energy, 즉 free energy라고 정의를 합니다. 여기에서 두 가지의 새로운 개념이 나오는데 엔탈피라는 개념은 아주 간단합니다. 시스템이 가진 에너지, 즉 열에너지의 총합입니다. 엔탈피는 말 그대로 한 마디로 하면 열입니다. 그런데 엔트로피라는 것이 쉽게 와 닿지 않는 개념인데 조금 뒤에서 엔트로피만 조금 더 확인을 하도록 하겠습니다.

엔트로피와 엔탈피 개념

이 때 free energy가 중요한 이유는 어떤 일이 일어나기 전과 후의 변화 값이 양수이면 그 시스템은 불안전한 것입니다. 양수인 방향으로는 가려 하지 않고 음수인 방향으로만 가려고 하는 것입니다. 그리고 free energy 변화가 없다면 이 시스템은 변하지 않게 되는 평형 상태(equilibrium state)에 있다고 얘기를 합니다. 자, 여기서 우리가 몇 가지 살펴볼 것은 ΔG 값과 T(온도)의 관계입니다. 온도가 올라가면 ΔG 값이 감소를 하게 되죠. 그 기울기가 ΔS, 즉 엔트로피라고 얘기 해주는 값이 되는 것입니다. 왜 감소를 하느냐 하면 당연히 - 가 있으니까 감소를 하는 것이죠. 이 때 엔트로피라고 하는 것이 무엇인가 하면 가능한 원자 배열의 경우의 수라고 생각하면 됩니다. 그래도 와 닿지는 않죠? 그럼 예를 한 번 들어보겠습니다. 아주 쉽게 생각하면 이렇습니다. 만약 16개의 사각형이 있는데 그 사각형에 색칠을 한다고 생각해보겠습니다. 그런데 왼쪽에 있는 그림처럼 정해진 구역에 색칠을 해야 한다면 경우의 수는 하나밖에 없는데 마음대로 색칠해도 된다면 경우의 수가 확 늘어나게 됩니다. 즉, 엔트로피가 높은 상태로 가는 것입니다. 우리가 일상생활에서 쉽게 생각할 수 있는 것 중에 하나는 이런 것이 있겠죠. 여러분들이 지하철이나 버스를 탔습니다. 출 퇴근 시간이라 그런지 자리가 꽉 찼는데 자리가 하나 남아 있습니다. 그럼 자리에 앉으려면 앉을 수 있는 경우의 수가 하나 밖에 없죠. 그런데 아침 출근 시간이 지나고 나서 지하철을 타면 텅텅 비어 있죠? 그럴 때는 마음대로 앉습니다. 엔트로피가 높은 상태입니다. 앉을 때도 보통 옆에 사람이 앉아 있는데 띄어서 앉고 여유 있게 간격을 늘리면서 엔트로피 값을 올리는 것이 자연의 법칙입니다. 그래서 엔트로피는 항상 선택지가 많아지면 많아질수록 커지는 값입니다. 그럼 엔트로피가 시스템에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 물에 설탕을 녹이는 경우를 생각해보죠. 여러분들이 해봤을 텐데 설탕을 넣고 나면 어떻게 하죠? 휘저어주죠. 혹은 조금 더 경험 있는 분들은 물을 데운 다음에 설탕을 넣어 줍니다. 그 이유가 뭘까요? 물을 데우면 앞에서 본 것처럼 온도가 올라가면 free energy 자체가 낮아집니다. 즉, 원자가 분포할 수 있는 자리 수가 늘어나는 것이고 그래서 잘 녹습니다. 그럼 저어주는 이유는 뭘까요? 저으면 물과 스푼의 마찰 때문에 안에서 열이 나죠. 그 열 때문에 엔트로피의 기여도가 커지기 때문입니다.

엔트로피의 재료공학에서의 의미

엔트로피가 가장 중요한 의미를 갖습니다. 재료공학에서 엔트로피가 갖는 큰 의미는 이쪽에 있다고 보시면 되겠습니다. 물질은 기본적으로 세 가지 상태가 있는데 물체를 담는 그릇과 무관하게 일정한 형태를 유지하는 고체가 있고, 그릇의 모양을 따라가는 액체가 있고, 그릇의 모양을 넘어서서 더 자유롭게 움직이는 기체가 있습니다. 엔트로피는 당연히 아시겠지만 기체 쪽으로 갈수록 커지겠죠. 그리고 엔탈피는 시스템이 가지고 있는 총 에너지이기 때문에 에너지가 낮으면 낮을수록 고체 쪽으로 갈수록 엔탈피가 더 크게 작용한다라고 생각하면 될 것 입니다. 이 말은 무엇이냐 하면 물질의 상태를 기체 쪽으로 보내는 방법은 온도를 높여 엔트로피를 증가 시키는 혹은 압력을 낮추어서 엔탈피의 역할을 낮춰주는 방법이 있다라는 말입니다. 즉, 물질의 상태를 온도와 압력의 함수로 조절할 수 있다는 얘기고 이것을 얘기해주는 것이 바로 열역학이라고 할 수 있겠습니다. 물론 열역학은 더 깊이 있는 학문이지만 이 정도를 이해하는 것만으로도 의미가 있을 것 같습니다. 앞에서 보신 것처럼 물질의 세가지 상태가 온도에 따라서 어떻게 변하는 지를 열역학적 관점에서 살펴보겠습니다. 열역학적 관점에서 보면 고체보다는 액체가 자리 잡을 수 있는 선택지가 많기 때문에 엔트로피가 높고 기체는 이보다 더 높습니다. 이 말은 무엇이냐 하면 음수를 띤 기울기가 기체가 가장 크고 액체가 다음이고 고체가 그 다음이라는 말입니다. 그러면 우리가 기체, 액체, 고체의 free energy curve를 직선으로 그려보면 교점들이 나타나게 되는데 이것이 무슨 의미인지 알아보겠습니다. Free energy, ΔG는 낮을수록 안정합니다. 그 말은 고체와 액체의 curve가 만나서 생기는 교차점 이하에서는 고체가 free energy가 가장 낮기 때문에 가장 안정합니다. 그런데 교차점부터는 액체가 더 낮아지게 되고 액체가 가장 안정해집니다. 이 교차점 이상에서는 기체가 가장 안정해집니다. 그래서 첫 번째 교차점은 녹는점이라 얘기해주고 두 번째 교차점은 끓는점이라고 이야기 해줍니다. 여기서 녹는점과 끓는점이 나타나는 이유는 각각 물질의 상태가 가지고 있는 엔트로피 값이 다르기 때문이라는 것을 기억해주시면 좋겠습니다.