[물리화학]줄 톰슨 계수와 압축인자와의 관계 질문이요

[카프카]

줄톰슨 효과는 처음부터 끝까지 이해하기가 너무 어렵네요..ㅠㅠ

이거만 보는데 한시간 넘게 걸린거 같다는........

여튼 질문입니다.

1. 앳킨스 9판 책에 보면

분자들이 보다 멀리 떨어지기 위해서는 일부 병진 운동 에너지가 퍼텐셜 에너지로 변환되어야 하므로 멀리 떨어지게 될수록 분자가 느리게 된다. 이러한 일련의 과정들을 가지고 우리는 실제 기체가 단열 팽창할 때 냉각되는 줄톰슨효과를 설명해줄수 있는 것이다.

이런 문장이 있습니다......분자들이 보다 멀리 떨어지기 위해서 Ek에서 퍼텐셜 에너지로 전환되어야 한다는 것부터가 이해가 안되네요. 책에서는 기체 분자의 속도가 느려지는 것을 공을 공중으로 던졌을 때 나타나는 효과와 비교하였는데 봐도봐도 모르겠어요ㅠㅠ또한 위의 두 문장과의 인과성도 잘 모르겠구요.......

2. 줄 톰슨이 등엔탈피 팽창을 하는 경우잖아요??근데 실험 과정에서 이 기체가 일어나는 모든 변화는 단열적이라고 되어있습니다. 앳킨스 9판 기준으로 증명 2.3에 단열적(q=0)이고, 델타U=w이다로부터 처음 엔탈피=나중 엔탈피 즉 등엔탈피 과정임을 증명해보이고 있습니다. 그런데 다른 질문들 찾아보니 단열 팽창과 등엔탈피 팽창은 다른거라고 하던데......그럼 단열 팽창이면 등엔탈피 팽창이 될 수 있는 거지만, 등엔탈피 팽창인 경우에는 단열팽창일 수도 있고 아닐 수도 있는 건가요.......

앞에서 단열팽창 공부할때도 어려웠는데 줄톰슨에서 무너지네요........

3. 이게 정말 모르겠는 마지막 질문입니다

인력 상호작용이 지배적인 조건(Z<1)에서 분자들이 느리게 운동할 수 있게 되기 위해서는 인력을 이겨내고 떨어져나가야 하므로 냉각효과(뮤(줄톰슨계수)>0에 대응)가 나타나는 것이다. 반발 상호작용이 지배적인 조건에서는(Z>1) 줄톰슨 효과에 의해서 ㅣ체가 더워지게 된다. 즉 줄톰슨계수<0이 된다.

인력 상호작용에서 실제기체의 몰부피가 이상기체의 몰부피보다 작은 경우잖아요? 분자들이 느리게 운동하려면 운동에너지=1.5kT이 식으로 보면 분자들이 느리게 운동하기 위해서 냉각효과가 나타나야 되는 건 알겠어요. 근데 그 중간 설명에 인력을 이겨내고 덜어져나가야 한다...........이 부분이 봐도봐도 저의 오개념?으로 찬 머리로는 이해가 안되네요. 인력이 작용하면 분자들이 상대적으로 붙잡혀 있는 거니까 오히려 떨어져있을때보다 속도가 느릴 거 같은데.....흑흑 어떠한 인과관계에 의해서 이해할지 설명좀 부탁드려요!!!

[air1penny]

3. 마지막 3번이네요. 우선 질문해주신 데에 오개념이 있는것 같은데 그것부터 잡을게요 줄톰슨효과에서 분자들이 느리게 운동하기 위해서 라고 하셨는데 분자의 운동이 느린것은 줄 톰슨현상의 목적이 아니라 결과에 해당하는 것입니다. 등엔탈피를 맞추기 위해서 퍼텐셜에너지가 올라간 만큼 운동에너지가 줄어들고 그에따라 분자의 운동속도와 온도가 하강하는 것이구요.

[air1penny]

본격적으로 3번에 대한 답변을 드리자면. 부피에 따른 기체의 내부에너지 변화그래프를 살펴보면 인력우세상황에서는 기체분자간의 거리가 가까울수록 내부에너지가 작습니다. 즉 퍼텐셜 에너지가 작은 것이지요. 이러한 인력우세실제기체를 등엔탈피하에서 팽창시켜서 기체분자간의 거리를 늘려보면 어떨까요? 기체의 퍼텐셜 에너지가 커지겠죠? 그럼 이러한 증가를 어디서 충당해야 할까요? 바로 운동에너지를 감소시켜 퍼텐셜 에너지로 변환하는 것입니다. 그에따라 등엔탈피 조건을 만족하면서 기체분자의 퍼텐셜에너지 증가가 운동에너지 감소로 충당이 되는거죠. 결과적으로 균등분배의원리에 따라 온도도 내려가는 것입니다.즉 냉각효과죠

[air1penny]

반대로 반발력우세상황에서는 기체분자의 거리가 가까울수록 내부에너지가 큽니다. 이러한 분자들을 팽창시켜 떨어뜨려놓으면 퍼텐셜에너지가 감소하겠죠? 그만큼의 감소량을 운동에너지증가로 충당하게되면 반발력 우세상황에서는 가열효과가 나타나는 것입니다.
허접한 답변이었는데요. 저도 처음엔 줄톰슨효과를 넘기려고 했습니다. 하지만 읽고 또읽다보니 조금씩 알게되더라구요. 글쓴이분께서도 열심히 공부하셔서 좋은 결과 있으시길 바라겠습니다.

[카프카]

감사 댓글이 너무 늦었네요~와 너무 세세하게 답변해주셔서 정말 감사합니다^^!!열공해야겠어요~

[내코짱]

감사합니다^^ 정말 설명울 잘하시네염 ^^