맥스웰 관계식 유도 (Maxwell Relations Derivation)
1. 수학적 기초: 완전미분
유도완전미분의 교차 미분 조건
두 변수 의 함수 의 전미분이
로 주어지면, 가 상태함수(완전미분)일 조건은
즉,
이것은 슈바르츠의 정리(Schwarz's theorem)로, 2차 편미분이 연속이면 미분 순서를 교환할 수 있다는 것이다.
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2. 내부에너지로부터의 유도
유도$U$로부터의 맥스웰 관계식
내부에너지의 기본 관계식:
여기서 , , , 이다.
는 상태함수이므로 교차 미분 조건이 성립한다:
검증 (2차 편미분):
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3. 엔탈피로부터의 유도
유도$H$로부터의 맥스웰 관계식
엔탈피의 미분형:
, , , :
물리적 의미: 단열 과정에서 압력에 따른 온도 변화 = 등압 과정에서 엔트로피에 따른 부피 변화.
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4. 헬름홀츠 자유에너지로부터의 유도
유도$F$로부터의 맥스웰 관계식
헬름홀츠 자유에너지의 미분형:
, , , :
이것은 네 관계식 중 실용적으로 가장 중요한 것이다. 좌변의 엔트로피의 부피 의존성을, 우변의 측정 가능한 양으로 표현한다.
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5. 깁스 자유에너지로부터의 유도
유도$G$로부터의 맥스웰 관계식
깁스 자유에너지의 미분형:
, , , :
여기서 는 열팽창계수이다. 이 관계식은 등온 과정에서 압력에 따른 엔트로피 변화를 열팽창계수로 표현한다.
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6. 맥스웰 관계식의 체계적 기억법
참고기억법과 요약
네 관계식을 체계적으로 기억하는 방법:
열역학 사각형 (Born square):
S
U H
V P
F G
T
각 꼭짓점은 퍼텐셜, 각 변은 자연변수를 나타낸다. 화살표 방향에 따라 부호가 결정된다.
정리표:
| 출발 퍼텐셜 | 맥스웰 관계식 | |-------------|-------------| | | | | | | | | | | | |
부호 규칙: 와 쌍에 음의 부호가 나타나고, 와 쌍에 양의 부호가 나타난다. 이는 의 미분에서 의 음의 부호에 기원한다.
예제맥스웰 관계식을 이용한 줄-톰슨 계수
줄-톰슨 계수 를 측정 가능한 양으로 표현한다.
에서:
맥스웰 관계식 를 적용:
따라서:
이상기체: 이므로 .