화학공학과에서 배우는 열역학 (2) 다성분계 열역학

공정열역학에서 다루는 내용

공정열역학은 화공열역학에서 다루지 못한 다성분계에 대한 내용을 다루고 있습니다. 화공열역학2라고 생각하면 편할 것 같습니다. 공정열역학이 전공선택 과목으로 분류되어 있지만, 화학과, 물리학과, 그리고 기계과에서 다루는 열역학보다는 더 자세한 이야기를 다루는, 타 과의 열역학과 화공과의 열역학을 구분 짓는 과목이라 생각됩니다. 물리화학의 CH 4 ~ CH 6 내용을 조금 더 깊게 다룬다고 생각하면 편할 것 같습니다.

 

공정열역학을 수강하면 다음의 내용들을 주로 배우게 됩니다.

 

1) Equilibrium

다성분계에서의 열역학에서는 처음으로 Equilibrium에 대해 배우게 됩니다. 특히, 화공에서 주로 사용되는 Vapor Liquid Equilibrium을 배우게 됩니다. 다성분계라고 이야기했지만, 실제로는 주로 2개 성분 혼합물의 평형에 대해 배우게 되며, 여러 Diagram을 통한 정성적인 이해부터, (Modified) Rault’s Law를 통한 정성적인 계산을 하게 됩니다. 정성적인 계산을 할 때 각 상황에 대한 반복계산법도 접할 수 있습니다. 한편, 평형점이 아닌 지점에서의 system의 구성을 평가할 수 있는 Flash Calculation을 배우면서 해당 부분을 마무리하게 될 것입니다. 학기 말에는 Vapor Liquid-Liquid Equilibrium 등 조금 더 복잡한 평형 상태에 대해 배울 기회가 있습니다.

 

2) Solution Thermodynamics

단일성분계에서의 열역학을 배울 때 온도, 압력, 부피 등의 변화에 대한 엔탈피, 엔트로피 등의 물성 변화를 수식을 이용해서 나타내는 작업을 했을 것입니다. 다성분계에서도 비슷한 작업을 할 수 있으며, 이를 위해 fugacity, activity 등의 개념을 도입하게 됩니다. 이 부분을 공부할 때는 이상적인 순/혼합물, 그리고 실제 순/혼합물에서 fugacity와 activity가 어떻게 표현되는지 잘 구분하며 공부를 하면 도움이 될 것입니다. 이를 기존에 배운 Residual Property와 새롭게 도입하는 Excess Property와 연관 지으며 물성들 사이의 관계를 표현하고, 이를 예측하는 방법에 대해 배우게 될 것입니다. 학기 말에는 이러한 Fugacity 등을 반복계산법을 이용해서 정량적으로 계산하는 내용도 배우게 됩니다.

 

3) System with Reaction

화학공학은 반응이 일어나는 system을 다루는 경우가 많기에, 실제 반응이 진행될 때의 system을 해석하는 방법을 배우게 됩니다. 일반화학이나 물리화학에서 배운 평형상수를 fugacity, activity 등을 이용해서 정량적으로 계산하는 방법에 대해 배우고, 르 샤틀리에의 원리에 따라 온도 및 압력 변화에 대한 반응 상수의 변화를 보다 정밀하게 추정하는 방법에 대해 배우게 됩니다.

 

시험 준비 및 공부할 때 유의할 점

1) 공정열역학 과목에서 다루는 계산

화공열역학때 배웠던 계산 방식을 그대로 활용하게 됩니다. 반복계산법을 통해서 수렴하는 값을 찾아내거나, 내삽을 통해서 임의의 상태에 대한 물성을 추론하는 식으로요. 이 부분은 어쩔 수 없이 연습이 많이 필요하다 생각됩니다. 다만, 계산을 진행할 때 풀이 과정을 잘 정돈해서 작성하거나, 또는 자신 나름의 규칙대로 작성을 한다면 수치들을 대입할 때 도움이 되었던 것 같습니다.

 

2) 증명의 방향성을 생각하고 수식 전개하기

생각보다 개념을 서술해야 하는 문제도 많이 출제가 됩니다. 식 전개 내용을 모두 암기하는 것이 아니라, 증명의 시작점과 목표 그리고 사이사이 수식을 전개하기 위해 필요한 개념만 기억하여 암기량을 최소화하려 했던 것 같습니다.