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재료열역학(개정증보판)

처음 배우는 학생을 위한 열역학

저자한주환
출간일2026-08-01
분야기술 · 공학
ISBN979-11-7621-405-6(93550)
페이지344쪽
판형182 * 257mm
정가30,000원

한주환

한주환

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

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

이 책의 키워드 #재료 #열역학#평형#자유에너지

책소개

책소개

열역학은 열과 일의 출입에 따라 나타나는 자연현상의 원리를 탐구하는 학문으로, 자연과학을 다루는 물리학, 화학은 물론 기계공학, 화학공학, 재료공학을 비롯한 공학 전반의 기초 학문일 정도로 매우 중요한 학문 분야이다. 수학/물리/화학을 공부해야 이들을 기반으로 이루어진 응용 과학 또는 공학 분야 교육과정을 이해할 수 있는 것처럼, 열역학도 과학/공학 분야에서 물리/화학 다음으로 기초를 이루는 매우 중요한 학문이다. 그러함에도 불구하고 열역학은 처음 배우는 학생에게는 상당히 이해하기가 어려운 교과목으로 느껴지고 있다.

본 교재는 재료공학을 전공하는 학생들이 어려워하는 열역학을 최대한 이해하기 쉽게 그리고 내용이 체계적으로 연결될 수 있도록 구성함으로써, 처음 배우는 학생이 큰 어려움을 겪지 않고 열역학이라는 커다란 산을 오를 수 있도록 도와줄 목적으로 만들어졌습니다. 이를 위해 재료를 구성하고 있는 물질들의 안정성, 상태 변화, 그리고 화학반응을 지배하는 근본 원리 등 핵심 개념을 체계적으로 설명하였습니다. 특히 엔트로피의 물리적 의미를 탐구해 봄으로써 자연현상이 어떤 원리로 일어나는지를 이해할 수 있게 합니다. 아울러 자유에너지 개념을 도입하여 특정 조건에서 재료가 어떠한 거동을 하는지를 예측할 수 있게 해주는 원리를 배움으로써, 기체의 거동, 용액의 형성, 상 변태, 화학반응 등 재료에서 관찰되는 다양한 현상을 정량적으로 해석하고 예측할 수 있는 능력을 배양합니다.

1. 서론

[연습문제]

1. 열역학 제1, 2, 3 법칙

[연습문제]

Ⅲ. 상태, 상태변수 그리고 프로세스

[연습문제]

IV. 이상기체의 거동

IV-1 Boyle-Charles Gas Law

IV-2 Van der Waals Equation

IV-3 Internal Energies of Ideal Gas and Real Gas

[연습문제]

V. 상태 변화 과정과 열 용량

V-1 Processes of Ideal Gas

(1) 등체적과정 (Constant Volume Process)

(2) 등압과정 (Constant Pressure Process)

(3) 단열과정 (Adiabatic Process)

(4) 등온과정 (Isothermal Process)

V-2 Heat Capacity

V-3 Enthalpy, H

V-4 Temperature Change during an Adiabatic Process

[연습문제]

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 InΩ being proportional to Clausius Entropy S

[연습문제]

VII. 가역과정과 비가역과정

VII-1 Irreversible Process

VII-2 Entropy of Irreversible Processes

[연습문제]

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

[연습문제]

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

[연습문제]

X. 실제기체의 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

[연습문제]

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

[연습문제]

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

[연습문제]

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

[연습문제]

XIV. 용액모델

XIV-1 Non-ideal Mixing

XIV-2 Regular Solution Model

[연습문제]

XV. 전기화학 [중급]

XV-1 lonization 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

[연습문제]

XVI. 우세 영역도 [중급] (Predominance Area Diagram)

XVI-1 Reactions of a Metal with a Single Gas Component

XVI-2 Reactions of a Metal with Two Gas Components

[연습문제]

XVII. 계면 열역학 [중급]

XVII-1 Geometry of Surfaces

XVII-2 Conditions for Equilibrium in Systems with Curved Interfaces

XVII-3 Equilibrium Conditions in Unary Systems with Curved Boundaries

XVII-4 Chemical Potential of Atoms on Curved Surfaces

[연습문제]

XVIII. 결정결함 (Defects in Crystals) [중급]

XVIII-1 Point Defects in Elemental Crystals

XVIII-2 Conditions for Equilibrium in a Crystal with Vacancies

XVIII-3 Equilibrium Concentration of Vacancies in a Crystal

XVIII-4 Point Defects in Stoichiometric Compound Crystals

(1) Frenkel Defects

(2) Schottky Defects.

(3) Defect Association

(4) Extrinsic Point Defects in Stoichiometric Compound Crystals

XVIII-5 Point Defects in Non-stoichiometric Compound Crystals

(1) 산소결핍형 산화물

(2) 산소과잉형 산화물

(3) Brouwer Diagram

(4) Extrinsic Point Defects in Non-stoichiometric Compound Crystals

[연습문제]

XIX. 자유에너지의 의미 [중급]

XIX-1 Euler Equation

XIX-2 Legendre Transformation

XIX-3 Free Energy Functions

XIX-4 Equilibrium Condition

[연습문제]

XX. 희박용액 (Dilute Solution) [중급]

XX-1 Activities in Dilute Solutions

XX-2 Transformation of Standard States

XX-3 Measurements of Activity

[연습문제]

XXI. 용액의 기준상태 [중급]

XXI-1 Standard State of Components in Solutions

[연습문제]

[주요 용어 정리]

부록

A. 주관식 문제.

B. 연습문제 [정량적 문제] 풀이

찾아보기 (Index)

저자

한주환

- 서울대학교 무기재료공학과 학/석/박사

- 영남대학교 신소재공학부 교수

전공분야:

- 세라믹 (습식) 분말 공정

- 산화물/비산화물 세라믹 소결

- 방열소재/열계면소재

- 이산요소분석법(Discrete Element Analysis)

출판사 서평

이 책은 열역학을 처음 접하는 학생을 위해서 집필되었습니다. 열역학은 공학 전반의 기초 학문으로, 기계공학과 화학공학을 포함한 다양한 공학 분야에서 필수적인 기초 학문입니다. 그중에서도 이 책은 재료와 관련된 열역학에 초점을 맞추어, 열과 일의 출입에 따른 재료 내부에서 일어나는 다양한 현상과 그 발생 원리를 이해하는 데 목적을 두고 있습니다.

[교재의 핵심 내용 및 구성]

* 열역학의 근본 원리 체계적 설명:

본 교재는 자연현상에서 관찰되는 3가지 근본 섭리 (즉, 에너지 보존 [제1 법칙], 자발적 과정에서 나타나는 엔트로피의 증가 [제2 법칙], 그리고 엔트로피 시작점의 존재 [제3 법칙])를 바탕으로 열과 일이 출입함에 따라 재료 내부에서 나타나는 상태의 변화, 평형, 상전이, 화학반응 등을 지배하는 원리를 이해하는 것을 목적으로 합니다.

* 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 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 문제 풀이집은 ‘https://ceramic.yu.ac.kr’에서 제공됩니다.

특히 열역학 계산을 경험해 볼 수 있는 프로그램도 제공하고 있습니다.

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

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