순수 물질에 대한 열역학 데이터베이스
Thermodynamic databases for pure substances열역학 데이터베이스는 물질에 대한 열역학적 특성에 대한 정보를 포함하고 있으며, 가장 중요한 것은 엔탈피, 엔트로피, 깁스 자유 에너지다. 이러한 열역학적 특성의 수치 값은 표로 수집되거나 열역학 데이터 파일에서 계산된다. 데이터는 표준압력 101.325kPa(1atm) 또는 100kPa(1bar)에서 물질 몰 1개에 대한 온도에 따른 값으로 표현된다. 불행하게도, 압력에 대한 표준 조건에 대한 이 두 정의는 모두 사용되고 있다.
열역학 데이터
열역학 데이터는 일반적으로 물질의 한 몰(또는 증기 테이블의 경우 1 kg)에 대한 함수 값의 표 또는 차트로 제시된다. 열역학 데이터 파일은 숫자 데이터 값을 계산할 수 있는 방정식 매개변수의 집합이다. 테이블과 데이터 파일은 보통 1bar 또는 1atm의 표준 압력으로 표시되지만 증기 및 기타 산업적으로 중요한 가스의 경우 압력이 변수로 포함될 수 있다. 함수 값은 물질의 집합 상태에 따라 달라지는데, 값이 어떤 의미를 가지려면 정의되어야 한다. 열역학적 목적을 위한 집적 상태는 표준 상태(때로는 기준 상태라고도 하며, 특정 조건을 명시하여 정의하기도 한다. 정상 표준 상태는 일반적으로 지정된 온도에서 물질의 가장 안정된 물리적 형태와 1bar 또는 1atm의 압력으로 정의된다. 단, 어떤 비정규 조건도 표준 상태로 선택할 수 있으므로, 반드시 사용의 맥락에서 정의해야 한다. 물리적 표준 상태는 그 특성을 측정할 수 있을 만큼 충분한 시간 동안 존재하는 것이다. 가장 일반적인 물리적 표준 상태는 열역학적으로 안정된 상태(즉 정상적인 상태)이다. 다른 어떤 물리적 상태로 변화하려는 경향도 없다. 물질이 존재할 수 있지만 열역학적으로 안정적이지 않은 경우(예를 들어 과냉각 액체)를 전이성 상태라고 한다. 비물리적 표준 상태는 물리적 상태(예를 들어 정상 용해 지점 위의 고체 과열 또는 실제 가스가 이상적이지 않은 조건에서 이상적인 기체)에서 외삽하여 특성을 얻는 상태를 말한다. 어떤 물질은 지속되어 무한정 그 상태에서 사용될 수 있기 때문에 측정 가능한 액체와 고체는 중요하다. 정상 표준 상태의 조건을 참조하는 열역학적 기능은 작은 위첨자 °로 지정된다. 특정한 물리적 특성과 열역학적 특성 사이의 관계는 상태의 방정식으로 설명될 수 있다.
엔탈피, 열 함량 및 열 용량
물질의 내부 에너지는 여러 형태를 취할 수 있으며, 각각 열역학적 반응에서 중요해지기 시작하는 고유의 전형적인 온도를 가지고 있기 때문에 내부 에너지(예: 엔탈피)와 관련된 열역학적 양의 절대량을 측정하는 것은 매우 어렵다. 따라서 가장 관심을 끄는 것은 이러한 기능의 변화다. 공통 기준 온도 298.15K(25°C)보다 높은 엔탈피 H의 이소바르 변화는 고온 열함량, 지각열 또는 상대 고온 엔탈피라고 불리며, 이에 따라 열함량이라고 불린다. 데이터베이스마다 다른 방식으로 이 용어를 지정하는데, 예를 들어 H-HT298, H°, H°-TH°298298 또는 H°-H°(Tr)는 기준r 온도(일반적으로 298.15K, 열 함량 기호로는 298K)를 의미한다. 이 모든 용어는 기준 온도 298.15K보다 높은 정상 표준 상태의 물질에 대한 어금니 열 함량을 의미한다. 가스에 대한 데이터는 지정된 표준 압력에서 가상의 이상적인 기체를 위한 것이다. 엔탈피의 SI 단위는 J/mol이며, 기준 온도보다 양의 수이다. 열 함량은 거의 모든 알려진 물질에 대해 측정되고 표로 작성되었으며, 일반적으로 온도의 다항 함수로 표현된다. 이상 기체의 열 함량은 압력(또는 부피)과 무관하지만 실제 기체의 열 함량은 압력에 따라 달라지기 때문에 기체의 상태(실제 또는 이상)와 압력의 정의가 필요하다. 스팀용과 같은 일부 열역학 데이터베이스의 경우 기준 온도는 273.15K(0°C)이다.
열용량 C는 온도 상승에 추가된 열의 비율이다. 열 증분 이소바르식 추가의 경우:
따라서p C는 온도 그림 대 이소바르 열 함량(또는 온도/열 함량 방정식의 파생)의 기울기다. 열용량의 SI 단위는 J/(mol·K)이다.
엔탈피 위상 전환 변화
응축 위상 물질에 열을 가하면 위상 변화 온도에 도달할 때까지 온도가 상승한다. 열이 추가되면 위상 전환이 이루어지는 동안 온도는 일정하게 유지된다. 변환하는 물질의 양은 추가된 열의 양의 함수다. 전환이 완료된 후 열을 더하면 온도가 상승한다. 즉, 물질의 엔탈피는 물리적인 변화를 겪으면서 다른 방식으로 바뀐다. 위상 전환에 따른 엔탈피 변화는 ΔH로 지정된다. 위상 전환에 따른 엔탈피 변화에는 네 가지 유형이 있다. 재치있는 방법:
C는p 엔탈피가 반대로 변화하기 때문에 위상 전이 온도에서 무한하다. 퀴리 온도에서 C는p 급격한 불연속성을 보이는 반면 엔탈피는 경사가 변한다.
ΔH의 값은 보통 두 상태의 정상 표준 상태 온도에서 전환하기 위해 주어지며, 그렇다면 위첨자 °로 지정된다. 위상전환을 위한 ΔH는 약한 온도 함수다. 일부 본문에서는 위상 전환의 열을 잠열(예를 들어 융합의 잠열)이라고 한다.
화학 반응에 대한 엔탈피 변화
엔탈피 변화는 화학 반응 중에 일어난다. 원소로부터의 화합물 형성의 특별한 경우, 변화는 ΔH로form 지정되며, 온도의 약한 함수다. ΔHform 값은 일반적으로 원소와 화합물이 정상 표준 상태에 있는 경우 주어지며, 따라서 위첨자 °에 의해 지정된 표준 형성 가열로 지정된다. ΔH°form는 구성 요소와 화합물의 위상 전환 온도에서 불연속성을 겪는다. 모든 표준 반응에 대한 엔탈피 변화는 ΔH°rx로 지정된다.
엔트로피와 깁스 에너지
시스템의 엔트로피는 쉽게 측정되지 않는 또 다른 열역학적 양이다. 그러나 이론적 기법과 실험적 기법을 조합하여 엔트로피를 실제로 정확하게 추정할 수 있다. 저온에서 데비예 모델은 고형물에 대한 원자 열 용량v C가3 T에 비례해야 하며, 완벽한 결정 고형물의 경우 절대 0에서 0이 되어야 한다는 결과로 이어진다. 실험적으로 열 용량은 가능한 낮은 온도로 온도 간격으로 측정된다. Cp/T 값은 물질이 동일한 물리적 상태로 존재하는 온도의 전체 범위에 대해 T에 대해 표시된다. 데이터는 Debye 모델을 사용하여 최저 실험 온도에서 0K로 추정한다. 열역학 제3법칙은 0K에서 완벽한 결정체의 엔트로피가 0이 된다고 명시하고 있다. S가0 0일 때, 0K부터 어떤 온도까지의 곡선 아래 영역은 그 온도에서 엔트로피를 준다. 데비예 모델은 C 대신p C를v 포함하지만 0K에 가까운 온도에서 두 개의 차이가 너무 작아서 무시할 수 있다.
기준 온도 298.15K에서 표준 상태의 물질에 대한 엔트로피의 절대값은 S°298로 지정된다. 엔트로피는 온도에 따라 증가하며 위상 전이 온도에서 불연속적이다. 정상 위상 전환 온도에서의 엔트로피 변화(ΔS°)는 전환의 열을 전환 온도로 나눈 값과 같다. 엔트로피의 SI 단위는 J/(mol·K)이다.
원소로부터의 화합물 형성에 대한 표준 엔트로피 변화 또는 모든 표준 반응에 대한 표준 엔트로피 변화는 ΔS°form 또는 ΔS°rx로 지정된다. 엔트로피 변화는 제품의 절대 엔트로피에서 반응제의 절대 엔트로피 합계를 합산하여 얻는다. 엔탈피와 마찬가지로 깁스 에너지 G는 내재가치가 없으므로 관심 있는 것은 G의 변화다. 더욱이, 표준 상태의 물질들 사이의 위상 전환에서 G에는 변화가 없다. 따라서 열역학 데이터베이스에서 Gibbs 에너지의 주요 기능적 적용은 표준 상태 원소에서 화합물을 형성하는 동안 또는 모든 표준 화학 반응(ΔG°form 또는 ΔG°)rx에 대한 값 변화다. Gibbs 에너지의 SI 단위는 엔탈피(J/mol)와 동일하다.
부가 기능
열화학 데이터베이스 컴파일러는 일부 추가적인 열역학적 기능을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물질 H(T)의 절대 엔탈피는 다음과 같이 형성 엔탈피와 열 함량 측면에서 정의된다.
원소의 경우 ΔH°form가 0이기 때문에 모든 온도에서 H(T)와 [HT - H298]가 동일하며, 물론 298.15K에서 H(T) = 0. 화합물의 경우:
마찬가지로 절대 깁스 에너지 G(T)는 물질의 절대 엔탈피와 엔트로피에 의해 정의된다.
화합물의 경우:
일부 표에는 Gibbs 에너지 기능(H°298.15 – G°)T도 포함될 수 있다.엔트로피 및 열 함량 측면에서 정의되는 /T.
깁스 에너지 함수는 엔트로피와 동일한 단위를 가지지만 엔트로피와 달리 정상 위상 전환 온도에서 불연속성을 보이지 않는다.
평형 상수 K의eq 로그는10 흔히 나열되는데, 이는 정의 열역학 방정식에서 계산된다.
열역학 데이터베이스
열역학 데이터베이스는 주요 열역학 기능에 대해 비판적으로 평가된 값 집합으로 구성된다. 원래 데이터는 1 atm에서 특정 온도, 보통 100° 간격 및 위상 전환 온도에서 인쇄된 표로 표시되었다. 일부 계산에는 표 값을 재현하는 데 사용할 수 있는 다항 방정식이 포함되었다. 보다 최근에는 방정식 매개변수와 서브루틴으로 구성된 전산화된 데이터베이스를 사용하여 어떤 온도에서든 특정 값을 계산하고 인쇄를 위한 표를 준비한다. 전산화된 데이터베이스는 종종 반응 속성을 계산하고 데이터를 차트로 표시하기 위한 하위 경로를 포함한다.
열역학 데이터는 칼로리, 위상 평형, 분광학, 화학 평형 혼합물의 조성 측정, 가역 반응의 emf 측정과 같은 많은 유형의 실험에서 나온다. 적절한 데이터베이스는 데이터베이스의 요소와 화합물에 대해 이용 가능한 모든 정보를 취하며, 제시된 결과가 내부적으로 일관성을 갖도록 보장한다. 내부 일관성을 위해서는 적절한 열역학 방정식을 적용하여 열역학 함수의 모든 값을 정확하게 계산해야 한다. 예를 들어, 고온 평형 emf 방법에서 얻은 Gibbs 에너지 값은 엔탈피 및 엔트로피 값의 칼로리 측정에서 계산된 값과 동일해야 한다. 데이터베이스 제공자는 다른 유형의 실험에서 얻은 데이터 간의 차이를 해결하기 위해 공인된 데이터 분석 절차를 사용해야 한다.
모든 열역학 데이터는 온도(및 압력)의 비선형 함수지만, 다양한 기능을 표현하기 위한 범용 방정식 형식이 없다. 여기서는 열 함량의 온도 의존성을 표현하기 위해 일반적으로 사용되는 다항식 방정식을 설명한다. Isobaric 열 함량에 대한 일반적인 6개월 방정식은 다음과 같다.
방정식 형식과 관계없이 임의의 온도에서 화합물 형성 열은 298.15K에서 ΔH°form이고, 제품의 열함량 매개변수 합계는 반응제의 열함량 매개변수 합계를 뺀 값이다. Cp 방정식은 열함량 방정식의 파생물을 취함으로써 얻는다.
엔트로피 방정식은 Cp/T 방정식을 통합하여 구한다.
F'는 어떤 온도 T에서든 S°를 삽입하여 얻은 통합 상수다. 화합물 형성의 깁스 에너지는 정의 방정식 ΔG°form = ΔH°form – T(ΔS°)form에서 얻으며, 다음과 같이 표현된다.
대부분의 물질의 경우 ΔG°form는 온도의 선형성에서 약간만 벗어나므로 짧은 온도 범위에서 7항 방정식을 3항 방정식으로 대체할 수 있으며, 이 방정식은 표 값 회귀에 의해 모수 값을 구한다.
데이터의 정확도와 온도 범위의 길이에 따라 열함량 방정식은 더 많거나 더 적은 항을 필요로 할 수 있다. 매우 긴 온도 범위에서는 하나의 방정식 대신 두 개의 방정식을 사용할 수 있다. 방정식 모수를 도출하는 데 사용되는 실험 데이터의 범위를 벗어나는 값을 얻기 위해 방정식을 추론하는 것은 현명하지 못하다.
열역학 데이터 파일
중요한 열역학 함수의 값을 계산하는 데 필요한 방정식 파라미터와 기타 모든 정보는 열역학 데이터 파일에 저장된다. 값은 열역학 계산 프로그램에 의해 또는 스프레드시트에서 사용하기 위해 읽을 수 있는 형식으로 구성된다. 예를 들어, Excel 기반 열역학 데이터베이스 FREED [1]는 다음과 같은 유형의 데이터 파일을 생성하며, 여기서 1 atm의 표준 압력에 대해 작성한다.
- 행 1. 종의 어금질량, 밀도 298.15 K, ΔH°,form 298.15 S°298.15 파일에 대한 상한 온도.
- 2행. 필요한p C 방정식 수입니다. 여기, 3종류의 단계 때문에 3종 3상.
- 행 3. 첫 번째p C 방정식에 대한 5개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 4. 두 번째p C 방정식에 대한 5개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 5. 세 번째p C 방정식에 대한 5개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 6행. 필요한T H - H 방정식의298 수입니다.
- 행 7. 첫 번째T H - H 방정식에298 대한 6개 매개변수 값, 방정식에 대한 온도 한계, 첫 번째 위상 변화에 대한 ΔH°trans
- 행 8. 두 번째T H - H 방정식에298 대한 6개 매개변수 값, 방정식에 대한 온도 한계, 두 번째 위상 변화에 대한 ΔH°trans
- 행 9. 세 번째T H - H 방정식에298 대한 6개 매개변수 값, 방정식에 대한 온도 한계, 세 번째 위상 변화에 대한 ΔH°trans
- 10행. 필요한 ΔH°form 방정식의 수입니다. 여기 5개, 종을 위한 3개, 원소 중 하나가 위상 변화를 가지고 있기 때문에 2개.
- 행 11. 첫 번째 ΔH°form 방정식에 대한 6개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 12. 두 번째 ΔH°form 방정식에 대한 6개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 13. 세 번째 ΔH°form 방정식에 대한 6개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 14. 네 번째 ΔH°form 방정식에 대한 여섯 개의 모수 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 제15행. 다섯 번째 ΔH°form 방정식에 대한 여섯 개의 모수 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 16열. 필요한 ΔG°form 방정식의 수입니다.
- 행 17. 첫 번째 ΔG°form 방정식에 대한 7개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 18. 두 번째 ΔG°form 방정식에 대한 7개 매개변수 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 19행. 세 번째 ΔG°form 방정식에 대한 7개 매개변수 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 20. 네 번째 ΔG°form 방정식에 대한 7개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
- 행 21. 다섯 번째 ΔG°form 방정식에 대한 7개 모수의 값, 방정식에 대한 온도 한계.
대부분의 전산화된 데이터베이스는 데이터 파일의 값을 사용하여 열역학적 값의 표를 만든다. 1 atm 압력에서 MgCl2(c,l,g)의 경우:
표 형식은 열역학 데이터를 표시하는 일반적인 방법이다. FREED 표는 구성 요소의 질량 및 양 구성, 전환 온도 등과 같은 추가 정보를 상단 열에 제공한다. 성분 원소의 전환 온도는 922K, Mg의 용해 지점과 같이 빈 행의 첫 번째 열에 대시 ------가 있다. 물질의 전환 온도는 대시가 있는 두 개의 빈 행과2 980K에서 MgCl의 용해 지점과 같이 정의된 전환과 엔탈피 변화를 갖는 중심 행을 가진다. 데이터 파일 방정식은 표의 맨 아래에 있고, 전체 표는 Excel 워크시트에 있다. 이는 데이터를 특정 계산을 위해 의도된 경우에 특히 유용하다.
참고 항목
참조
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외부 링크
- NIST WebBook 국립표준기술연구소의 데이터 수집에 대한 게이트웨이.
- NASA Glenn ThermoBuild 표로 된 열역학 데이터를 생성하는 웹 인터페이스.
- 3,000종 이상의 화학물질에 대한 Burcat의 열역학 데이터베이스 데이터베이스
- DIPPR 물성설계연구소
- DIPPR 801 화학적 공정 설계 및 평형 계산에 유용한 열물리학적 특성 데이터베이스를 비판적으로 평가하였다.
- 열역학적 특성 및 위상 평형 계산용 MTDATA 소프트웨어 및 데이터베이스
- IAPWS-IF97 기반 무료 스팀 테이블 온라인 계산기
- 팩트-웹 프로그램 열역학 데이터를 얻고 평형 계산을 위한 다양한 온라인 도구.
- Mol-Instants Quantum Mechanics와 QSPR을 기반으로 하는 화학 데이터베이스로, 수백만 개의 화합물에 열역학적 특성을 제공한다.