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최근 수정 시각 : 2024-07-13 02:59:54

엔탈피

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[math(\xrightarrow[열에너지]{\delta Q} \boxed{\begin{matrix}\text{계의 엔탈피 증가}\\\Delta H > 0\end{matrix} })]
[math(\xleftarrow[열에너지]{\delta Q} \boxed{\begin{matrix}\text{계의 엔탈피 감소}\\\Delta H < 0\end{matrix} })]
정압 조건([math(\Delta P = 0)]) 하에서 엔탈피의 변화.

1. 개요2. 도입의 필요성3. 정의
3.1. 미분적 정의
4. 같이 보기

1. 개요

한국어 엔탈피
영어 Enthalpy
스페인어 Entalpía
러시아어 Энтальпия
일본어 エンタルピー
중국어 焓 / hán[1]
독일어 / 프랑스어 Enthalpie

어떤 물질이 특정 온도와 압력에서 특정한 값으로 가지게 되는 물리량. 엔탈피는 엔트로피와 더불어 물질계의 안정성과 변화의 방향, 그리고 화학 평형의 위치와 이동의 결정을 설명하는 핵심적인 요소이다. 계가 가지는 내부 에너지와 계의 부피× 압력의 합이다. 대기압이나 수압과 같이 압력에 둘러싸인 계를 다룰 때 사용한다. 일반적인 기호는 로마자 알파벳 대문자 [math(H)]를 사용한다.[2] 고등학교 과학 교육 과정에서는 화학Ⅱ에서 집중적으로 다룬다.

화학 반응식 끝에 반응엔탈피 값을 쓰면 열화학 반응식이 된다. 이때는 항상 물질 상태를 표시해야 한다.
화학반응식에는 엔탈피 변화값을 표기하는 경우가 많은데, 곰곰이 생각해보면 꽤 이상한 일이다. 일반적으로 발열반응이면 반응이 정방향으로 잘 진행되겠지 하고 말지만, 실제로 평형에 관여하는 건 자유에너지(=화학퍼텐셜)이지 엔탈피가 아니다. 그럼에도 엔탈피를 주로 표기하는 이유는 엔트로피의 측정이 엔탈피에 비해 굉장히 곤란하고[3], 반응에 있어서 반응열이 얼마나 나오는지는 화재 등의 문제에 있어서 꽤 중요하기도 하기 때문이다.
다만 그렇다고 해서 엔트로피를 그냥 퉁치고 넘어가도 좋을 일은 아니다. 실제로 금속에 리간드를 배위시킬 때 ethylene diamine과 같은 multidentate ligand를 배위시킬 때 반응이 더 효과적인데, 그 이유가 바로 엔트로피 차이이기 때문이다.

2. 도입의 필요성

엔탈피는 에너지([math(E)])와 유사하며, 혼동하여 사용하기도 한다. 엔탈피를 잘 이해하기 위해서는 열· 일·에너지에 대한 내용을 되돌아 보는 것이 필요하다. 계 (System)의 상태가 변하면 계에서 주위로 또는 주위에서 계로 열과 일이 이동한다. 계가 받은 열([math(Q)])과 계에게 해준 일([math(-W)])의 합을 계의 에너지 변화량([math(\Delta E)])이라 하며, 아래와 같이 나타낸다.
[math(\Delta E = Q - W)]

이것이 열역학 제1법칙이다. 일에는 전기적 일, 기계적 일 등 여러 가지가 있으며, 그중에서 외부 압력([math(P)])에 대해 계의 부피([math(V)])가 변하면, 이 경우에도 일이 관여한다.

만약 계에 외부 압력에 의해 부피가 변하는([math(P\text-V)]) 일 외에 다른 일이 없다면, 계에 해준 일([math(-W)])은 [math(-P\Delta V)]로 표현할 수 있으며, 따라서 열역학 제1법칙은 [math(\Delta E = Q - P\Delta V)]가 된다. 부피가 일정하게 유지되면서([math(\Delta V=0{\rm\,m^3})]) 계의 상태가 변하면 에너지 변화량 [math(\Delta E)]는 흡수한 열량([math(Q_{\rm v})])과 같다 ([math(\Delta E = Q_{\rm v})]).

화학에서의 많은 변화는 부피가 일정한 상태보다는 압력이 일정한 상태, 즉 대기압 아래에서 일어나는 경우가 많다. 대기압 아래에서 일어나는 물의 증발, 얼음의 융해, 연료의 연소 반응이 그 예라 할 수 있다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 이런 물리-화학적 변화에서 일어나는 열의 출입을 좀 더 간단히 취급하기 위해서는, 에너지라는 물리량보다 편리한 새로운 물리량을 도입할 필요가 있다.

3. 정의

엔탈피는 다음 식으로 주어진다.
[math(H = U+PV)]
위의 엔탈피의 정의는 그 값이 기준을 어떤 점으로 잡느냐에 따라 변하기 때문에 그 자체로 쓰이는 것보다는 엔탈피의 변화로 어떤 과정을 나타내기 위해 만들어진 개념이다. 엔탈피 변화량 [math(\Delta H)]는 [math(\Delta H = \Delta U + \Delta(PV))]라 할 수 있다. [math(\Delta(PV) = (P\Delta V + V\Delta P))]로 쓸 수 있고, [math(P\text-V)] 일 이외의 다른 일이 관여하지 않는다면, [math(\Delta U = Q - P\Delta V)] 이므로, 이 경우 [math(\Delta H)]는 다음과 같이 된다.
[math(\Delta H = Q+V\Delta P)]

따라서 일정한 압력([math(\Delta P = 0{\rm\,Pa})])하에서 일어나는 어떠한 과정에서 계가 주변과 열교환의 형태로 주고받은 에너지인 열량([math(\delta Q)])은 엔탈피 변화([math(\Delta H)])와 같다. 따라서 주변의 압력이 일정하게 유지되는 반응 전후의 열량의 출입을 나타내는 데에 많이 쓰인다.

일정한 압력하에서는 엔탈피 변화량과 계가 받은 열량이 서로 같다.

3.1. 미분적 정의

열역학에서는 위의 형태 대신에 미분형인 다음 식을 더 자주 쓴다. 단, 이 등식은 균질하고 가역인 계에서만 성립한다. 이는 열역학 제2법칙에 의해 가역 과정에서만 [math(\delta Q=T{\rm d}S)]가 성립하기 때문.
[math({\rm d}H = T{\rm d}S+V{\rm d}P)]
위의 형태에서 알 수 있는 것은 엔탈피는 엔트로피와 압력을 변수로 하는 함수라는 것이다. 화학에서 엔탈피를 많이 사용하는 이유는, 대부분의 화학 반응들이 열린 공간, 즉 압력 변화가 없는([math({\rm d}P=0{\rm\,Pa})]) 공간에서 일어나기 때문에, 위의 미분식에서 항 하나를 없애서 [math({\rm d}H=T{\rm d}S)]로, 실질적으로 열의 출입으로만 엔탈피 변화를 나타낼 수 있기 때문이다.[5]

즉, 어떠한 과정에서 [math(\Delta P=0{\rm\,Pa})]일 때, [math(\Delta H)]는 계가 주변과 열교환의 형태로 주고받은 에너지인 열량을 나타낸다.

4. 같이 보기


[1] 한문으로는 엔탈피 함으로 읽으면 된다. [2] 해밀토니안과 표기가 겹치곤 해서 해밀토니안 쪽은 보통 흘림체([math(\mathcal H)])로 쓴다. [3] 물론 전기화학적 또는 평형상수를 통해 자유에너지를 계산할 수는 있다. [4] 열 함량(heat content) 혹은 열 함수(heat function)라는 의미에서 유래. 그리스 문자 Η의 발음이 '에타(eta)'라서 그런지 위키피디아에서도 그리스 문자에서 유래했다고 와전되기도 하는데, 애초에 '엔탈피'라는 단어 자체가 에타(η)가 전혀 쓰이지 않은 그리스어 ἐνθάλπος에서 유래하였다는 점만 봐도 설득력이 떨어진다. [5] 내부 에너지 [math({\rm d}U=T{\rm d}S-P{\rm d}V)]의 경우, 엔트로피와 부피에 대한 함수이기 때문에 등적과정이 아닌 이상 그 변화를 측정하기 더 어렵다.

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