자발적 반응이란
어떤 반응물들이 주어진 조건에서 반응이 일어나면 이는 자발적 반응이라고 합니다. 한편 주어진 조건에서 반응이 일어나지 않는 경우는 비자발적 반응이라고 하는데요. 예를들어 폭포수가 밑으로 떨어지는 것, 설탕이 물에 녹는 현상, 뜨거운 물체에서 차가운 쪽으로 열이 흐르는 현상 등은 모두 자발적 반응이라고 할 수 있습니다. 그러나 이 현상들이 반대로 자연스럽게 일어나는 경우는 없는것처럼 이 반응들의 반대 반응은 비자발적 반응이라고 할 수 있습니다.
엔트로피란
엔트로피란 에너지를 저장할 수 있는 가능한 다른 사태들 중에서 에너지가 얼마나 널리 분포되어 있는가를 설명하는 척도입니다. 넓게 분산되어 있을수록 엔트로피는 커집니다. 수많은 공기 분자들이 에너지 상태로 분산되면 엔트로피가 증가한다고 보면 됩니다. 에너지 분산의 정도에 대해 정성적으로 설명하자면 계의 에너지가 분산될 수 있는 미시 상태의 수가 적어 좁게 분산된 계의 엔트로피는 작고, 반대로 계의 에너지가 분산될 수 있는 미시 상태의 수가 많아 넓게 분산된 계의 엔트로피는 크다고 할 수 있습니다.
표준 엔트로피란
엔트로피를 계산하기 위해 열량계법으로 주어진 물질에 대한 절대 엔트로피값을 계산할 수 있습니다. 이를 표준 엔트로피라고 하는데 1기압 상온에서 물질의 엔트로피값을 나타낸 것을 말합니다. 단위는 J/K · mol입니다. 물의 경우 69.9, 수증기는 188.7, 다이아몬드는 2.4, 흑연은 5.69, 메테인은 186.2, 에테인은 229.5, 헬륨가스는 126.1 등이 그 예입니다.
열역학 제2법칙
엔트로피와 자발적 반응 사이의 관계는 열역학 제2법칙으로 표현됩니다. 우주의 엔트로피는 자발적 과정에서 증가하며 평형 과정에서는 변하지 않는다고 할 수 있습니다. 우주는 계와 주위로 이루어져 있는데 자발적 과정에 대해 열역학 제2법칙을 따르면 우주의 엔트로피 변화는 0보다 커야하지만 계나 주위의 엔트로피 변화에 대해서는 제한하지 않습니다. 주위의 엔트로피 변화는 분자 수준에서 무질서도가 증가하게 되어 주위의 엔트로피 증가로 이어지게 됩니다. 주어진 열량에 대해 엔트로피 변화는 온도에 의존하므로 주위의 온도가 높다면 분자들이 이미 활동적인 상태가 되어있다는 뜻입니다.
열역학 제3법칙과 절대 엔트로피
계의 미시 상태의 수가 크면 계의 엔트로피도 커집니다. 절대 0도 0K에 있는 완전한 결정체 상태를 가정해볼 때 이런 조건에서 분자의 운동은 최소가 되고 미시상태의 수는 1이 됩니다. 즉 완전한 결정체를 형성하기 위한 원자나 분자의 배치 방법은 한가지 뿐이라는 것을 의미합니다.