재료열역학

본 도서는 『재료열역학: 처음 배우는 학생을 위한 열역학』이라는 제목으로, 재료열역학을 처음 접하는 학생들을 위해 한주환 저자가 집필했습니다. 열역학은 기계공학과 화학공학을 포함한 공학 전반의 필수적인 기초 학문이며, 본 교재는 이러한 열역학적 원리를 재료 시스템에 특화하여 적용함으로써, 주어진 조건에서 재료 내부에서 일어나는 변화와 그 원리를 이해하는 데 목적을 둡니다.

[교재의 핵심 내용 및 구성]
* 열역학의 근본 원리 체계적 설명: 본 교재는 에너지 보존(제1법칙), 자발적 과정에서의 엔트로피 증가(제2법칙), 엔트로피의 절대 기준(제3법칙)의 세 가지 경험적 법칙을 기반으로 핵심 개념을 체계적으로 설명합니다.
* Gibbs 자유에너지 중심의 예측: 특히 자발적 변화의 방향과 평형을 가늠하는 핵심 상태함수인 Gibbs 자유에너지 G를 통해 기체의 거동, 용액의 형성, 상변태, 화학 반응 등 다양한 재료 현상을 정량적으로 해석하고 예측할 수 있게 합니다.
* 응용 분야 및 모델 소개: 이상기체/실제기체 모델, 이상용액/정규용액 모델 등 이론적 도구를 소개하고, 이를 화학반응 평형(Ellingham 도표), 상평형(상태도), 전기화학적 평형(Nernst 방정식, Pourbaix 도표)과 같은 실제 문제에 단계적으로 적용하는 방법을 설명합니다.
* 학습 편의를 위한 구조: 독자의 학습을 돕기 위해 각 장은 개념 설명과 물리적 해석을 우선하며, 필요한 수식은 맥락과 목적을 분명히 한 뒤 도입했습니다. 또한, 핵심 정리, 예제, 요약, 그리고 개념 점검 문제를 통해 스스로 학습 내용을 점검할 수 있도록 구성되어 있습니다.
* 추가 학습 자료 제공: 강의 노트와 영상 자료는 'https://ceramic.yu.ac.kr'에서 제공될 예정입니다.

본 교재는 열역학이 단순한 이론을 넘어 재료 설계, 개발, 공정 제어의 확고한 과학적 기반임을 분명히 하며, 재료의 안정성, 상변화, 화학 반응을 지배하는 근본 원리를 중심으로 깊이 있는 이해를 돕습니다.

I. 서론

II. 열역학 제 1, 2, 3 법칙

III. 상태, 상태변수 그리고 프로세스

IV. 기체의 거동
IV-1 Boyle-Charles Gas Law
IV-2 van der Waals Equation
IV-3 Internal Energies of Ideal Gas and Real Gas

V. 상태 변화 과정과 열용량
V-1 Processes of Ideal Gas
i) 등체적과정 (Constant Volume Process)
ii) 등압과정 (Constant Pressure Process)
iii) 단열과정 (Adiabatic Process)
iv) 등온과정 (Isothermal Process)
V-2 Heat Capacity
V-3 Enthalpy, H
V-4 Temperature Change during an Adiabatic Process

VI. 엔트로피의 통계역학적 해석
VI-1 Definition of Entropy S
VI-2 Statistical Interpretation of Entropy
VI-3 Thermal Entropy and Configurational Entropy
VI-4 Boltzmann Distribution Function
VI-5 Proof of lnΩ being proportional to Clausius Entropy S

VII. 가역과정과 비가역과정
VII-1 Irreversible Process
VII-2 Entropy of Irreversible Processes

VIII. 보조함수
VIII-1 Geometric Relations
VIII-2 Auxiliary Functions
(1) Enthalpy
(2) Helmholtz Free Energy
(3) Gibbs Free Energy
VIII-3 Differentials of Auxiliary Functions
VIII-4 Maxwell Relations
VIII-5 Applications of Maxwell Relation using Experimentally determined Parameters

IX. 엔탈피와 엔트로피 함수 그리고 Gibbs 자유에너지
IX-1 Enthalpy as a function of Temperature under a constant Pressure
IX-2 Entropy as a function of Temperature under a constant Pressure
IX-3 Gibbs Free Energy as a function of Temperature under a constant Pressure
IX-4 Phase Diagram determined from Gibbs Free Energy Change with Temperature and Pressure
IX-5 Clapeyron Equation
IX-6 Clausius-Clapeyron Equation

X. 기체의 거동
X-1 Temperature Variation by Heat Transfer under constant Pressure
X-2 Pressure Variation by Work Transfer under constant Temperature
X-3 van der Waals Gas Model describing Real Gas Behavior

XI. 혼합 기체의 거동
XI-1 Gibbs Free Energy Variation with Pressure under constant Temperature
XI-2 Mixture of Ideal Gases
XI-3 Partial Molar Quantities and their Physical Meanings
XI-4 Chemical Potential as a Partial Molar Quantities
XI-5 Equilibrium Vapor Pressure of a Component in Condensed Solutions
XI-6 Activity and Activity Coefficient
XI-7 Raoult's Law and Henry's Law
XI-8 Chemical Potential and Activity

XII. 화학반응 평형
XII-1 Reactions involving Gases
XII-2 Effect of Temperature on Chemical Reaction Equilibrium
XII-3 Reference Pressure and Effect of Total Pressure on Chemical Reactions
XII-4 Reactions involving Pure Condensed Phases and a Gaseous Phase
(1) CO/CO2 비율 조절을 이용한 산소분압 조절
(2) H2/H2O 비율 조절을 이용한 산소분압 조절
XII-5 Reactions involving Condensed Solution Phases and a Gaseous Phase

XIII. 상태도
XIII-1 Free Energy Change as a Solute dissolving into a Matrix
XIII-2 Gibbs Free Energy of a Binary System
XIII-3 Ideal Solution
XIII-4 Development of Phase Diagrams
XIII-5 Development of Eutectic Phase Diagrams
XIII-6 Development of Other Phase Diagrams

XIV. 용액모델
XIV-1 Non-ideal Mixing
XIV-2 Regular Solution Model

XV. 전기화학
XV-1 Ionization Energy of an Element
XV-2 Equilibrium in Two Phase Systems involving an Electrolyte
XV-3 Equilibrium in an Electrochemical Cell
XV-4 Standard Hydrogen Electrode
XV-5 Pourbaix Diagram
(1) The Stability of Water
(2) Pourbaix Diagram for Copper

한주환 - 서울대학교 무기재료공학과 학/석/박사
- 영남대학교 신소재공학부 교수

전공분야
- 세라믹 습식 분말 공정
- 산화물/비산화물 세라믹 소결
- 방열소재/열계면소재
- 이산분석법(Discrete Element Method)