법칙완성

맥스웰 관계식 (Maxwell Relations)

1. 맥스웰 관계식의 진술

법칙3.1맥스웰 관계식

열역학 퍼텐셜의 2차 편미분의 교환 대칭성으로부터 얻어지는 네 가지 기본 관계식:

UU로부터 (dU=TdSPdVdU = T\,dS - P\,dV):

(TV)S=(PS)V\left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_S = -\left(\frac{\partial P}{\partial S}\right)_V

HH로부터 (dH=TdS+VdPdH = T\,dS + V\,dP):

(TP)S=(VS)P\left(\frac{\partial T}{\partial P}\right)_S = \left(\frac{\partial V}{\partial S}\right)_P

FF로부터 (dF=SdTPdVdF = -S\,dT - P\,dV):

(SV)T=(PT)V\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T = \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V

GG로부터 (dG=SdT+VdPdG = -S\,dT + V\,dP):

(SP)T=(VT)P-\left(\frac{\partial S}{\partial P}\right)_T = \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P

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(PP, VV, TT의 상호 미분)으로 변환할 수 있다는 것이다.

예를 들어, (S/V)T(\partial S/\partial V)_T는 직접 측정하기 어렵지만, 맥스웰 관계식에 의해

(SV)T=(PT)V\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T = \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V

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 CPCVC_P - C_V의 일반 표현을 유도한다.

CPCV=T[(ST)P(ST)V]C_P - C_V = T\left[\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_P - \left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_V\right]

S=S(T,V)S = S(T, V)로 보고, V=V(T,P)V = V(T, P)를 대입:

(ST)P=(ST)V+(SV)T(VT)P\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_P = \left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_V + \left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P

맥스웰 관계식 (S/V)T=(P/T)V(\partial S/\partial V)_T = (\partial P/\partial T)_V를 사용:

CPCV=T(PT)V(VT)PC_P - C_V = T\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P

순환 관계 (P/T)V(T/V)P(V/P)T=1(\partial P/\partial T)_V(\partial T/\partial V)_P(\partial V/\partial P)_T = -1을 이용하면:

CPCV=T[(V/T)P]2(V/P)T=TVα2κTC_P - C_V = -T\frac{\left[(\partial V/\partial T)_P\right]^2}{(\partial V/\partial P)_T} = \frac{TV\alpha^2}{\kappa_T}

4. 내부에너지의 부피 의존성

예제$(\partial U/\partial V)_T$ 계산

내부에너지의 부피 의존성은 맥스웰 관계식으로 깔끔하게 표현된다.

dU=TdSPdVdU = T\,dS - P\,dV

에서

(UV)T=T(SV)TP\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T = T\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)_T - P

맥스웰 관계식 (S/V)T=(P/T)V(\partial S/\partial V)_T = (\partial P/\partial T)_V를 적용:

(UV)T=T(PT)VP\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T = T\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V - P

이상기체: P=nRT/VP = nRT/V이므로 (P/T)V=nR/V=P/T(\partial P/\partial T)_V = nR/V = P/T

(UV)T=TPTP=0\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T = T\cdot\frac{P}{T} - P = 0

이상기체의 내부에너지가 부피에 무관함을 열역학적으로 증명.

반데르발스 기체: P=nRT/(Vnb)an2/V2P = nRT/(V-nb) - an^2/V^2

(UV)T=an2V2\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T = \frac{an^2}{V^2}

분자간 인력 보정 aa에 비례하는 양의 부피 의존성이 나타난다.

5. TdST\,dS 방정식

정의3.2$T\,dS$ 방정식

맥스웰 관계식으로부터 유용한 TdST\,dS 방정식 두 개를 얻는다.

제1 TdST\,dS 방정식 (독립변수: TT, VV):

TdS=CVdT+T(PT)VdVT\,dS = C_V\,dT + T\left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_V dV

제2 TdST\,dS 방정식 (독립변수: TT, PP):

TdS=CPdTT(VT)PdPT\,dS = C_P\,dT - T\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P dP

이 방정식들은 엔트로피 변화를 측정 가능한 양(CVC_V, CPC_P, α\alpha, κT\kappa_T, PP, VV, TT)으로 표현하며, 다양한 열역학적 계산의 출발점이 된다.

6. 화학 퍼텐셜에 관한 맥스웰 관계식

참고확장된 맥스웰 관계식

물질량 NN을 포함한 확장된 관계식도 존재한다.

dG=SdT+VdP+μdNdG = -S\,dT + V\,dP + \mu\,dN으로부터:

(μT)P,N=(SN)T,P=sˉ\left(\frac{\partial \mu}{\partial T}\right)_{P,N} = -\left(\frac{\partial S}{\partial N}\right)_{T,P} = -\bar{s}(μP)T,N=(VN)T,P=vˉ\left(\frac{\partial \mu}{\partial P}\right)_{T,N} = \left(\frac{\partial V}{\partial N}\right)_{T,P} = \bar{v}

여기서 sˉ\bar{s}vˉ\bar{v}는 각각 몰당 엔트로피와 몰당 부피이다.

이 관계식들은 화학 퍼텐셜의 온도·압력 의존성을 실험적으로 결정할 수 있게 해준다:

μ(T,P)=μ0+T0T(sˉ)dT+P0PvˉdP\mu(T, P) = \mu_0 + \int_{T_0}^T (-\bar{s})\,dT' + \int_{P_0}^P \bar{v}\,dP'