맥스웰 관계식 (Maxwell Relations)
1. 맥스웰 관계식의 진술
법칙3.1맥스웰 관계식
열역학 퍼텐셜의 2차 편미분의 교환 대칭성으로부터 얻어지는 네 가지 기본 관계식:
로부터 ():
로부터 ():
로부터 ():
로부터 ():
2. 맥스웰 관계식의 물리적 의미
참고측정 불가능량의 측정 가능량으로의 변환
맥스웰 관계식의 실질적 중요성은, 직접 측정하기 어려운 양(예: 엔트로피의 압력 또는 부피에 대한 미분)을 실험적으로 측정 가능한 양(, , 의 상호 미분)으로 변환할 수 있다는 것이다.
예를 들어, 는 직접 측정하기 어렵지만, 맥스웰 관계식에 의해
우변은 등적 과정에서 온도에 따른 압력 변화이며, 실험적으로 쉽게 측정할 수 있다.
3. 맥스웰 관계식의 적용
예제$C_P - C_V$ 관계 유도
맥스웰 관계식을 이용하여 의 일반 표현을 유도한다.
로 보고, 를 대입:
맥스웰 관계식 를 사용:
순환 관계 을 이용하면:
4. 내부에너지의 부피 의존성
예제$(\partial U/\partial V)_T$ 계산
내부에너지의 부피 의존성은 맥스웰 관계식으로 깔끔하게 표현된다.
에서
맥스웰 관계식 를 적용:
이상기체: 이므로
이상기체의 내부에너지가 부피에 무관함을 열역학적으로 증명.
반데르발스 기체:
분자간 인력 보정 에 비례하는 양의 부피 의존성이 나타난다.
5. 방정식
정의3.2$T\,dS$ 방정식
맥스웰 관계식으로부터 유용한 방정식 두 개를 얻는다.
제1 방정식 (독립변수: , ):
제2 방정식 (독립변수: , ):
이 방정식들은 엔트로피 변화를 측정 가능한 양(, , , , , , )으로 표현하며, 다양한 열역학적 계산의 출발점이 된다.
6. 화학 퍼텐셜에 관한 맥스웰 관계식
참고확장된 맥스웰 관계식
물질량 을 포함한 확장된 관계식도 존재한다.
으로부터:
여기서 와 는 각각 몰당 엔트로피와 몰당 부피이다.
이 관계식들은 화학 퍼텐셜의 온도·압력 의존성을 실험적으로 결정할 수 있게 해준다: