자유팽창 문서 원본 보기

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{{열역학}}
'''자유팽창'''(自由膨脹, free expansion)은 단열된 진공 공간으로 저절로 팽창하는 [[비가역과정]]이다. [[줄 팽창]]이라고도 한다.

실제 기체는 자유팽창을 하는 도중에도 온도 변화가 생긴다. [[이상기체]]에서는 온도가 변하지 않는다고 가정하며, 단열자유팽창은
: <math>P_i V_i = P_f V_f</math>

를 만족한다. 이때 <math>P</math>는 압력, <math>V</math>는 부피이고 <math>i</math>와 <math>f</math>는 각각 이전과 이후를 나타낸다. 즉 기체가 팽창해서 부피가 늘어나면(<math>V_i < V_f</math>) 압력은 감소한다(<math>P_i > P_f</math>).

자유팽창을 하는 기체는 일을 하지 않는다. 기체는 최종 상태가 될 때까지 [[열역학적 평형]]이 아닌 상태를 거치며, 이 상태에서는 기체의 열역학적 변수를 모두 결정할 수 없다. 예컨대 기체의 압력은 점에서 점마다 국소적으로 변하기 때문에 입자의 총체로서의 기체의 부피는 쉽게 정의할 수 있는 양이 아니다.

코크를 열어서 기체가 진공으로 퍼져나가는 것이 자유팽창의 대표적인 사례이다. 계 안으로 들어오거나 나가는 열에너지가 없으므로, 이루어진 일은 없다. [[엔트로피]] 변화는 있지만 잘 알려진 엔트로피 변화공식
:<math>\Delta S = \int \frac {dQ_{rev}}T \, ,</math>

은 적용되지 않는다. 이는 자유팽창이 [[가역과정]]이 아니기 때문이다. 이상기체의 경우 자유팽창의 엔트로피는 [[줄-톰슨 효과]]와 같이 구한다.<ref>Tipler, P., and Mosca, G. ''Physics for Scientists and Engineers (with modern physics), 6th edition, 2008.  pages 602 and 647</ref>
:<math>\Delta S=\int_i^f\mathrm{d}S=\int_{V_{i}}^{V_{f}} \frac{P\,\mathrm{d}V}{T}=\int_{V_i}^{V_f} \frac{n R\,\mathrm{d}V}{V}=n R\ln \frac{V_f}{V_i}.</math>

== 각주 ==
<references/>

== 외부 링크 ==
* {{위키공용분류-줄|Joule/Gay-Lussac expansions}}

{{토막글|물리학}}

[[분류:열역학적 과정]]