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이 책은 재료공학도의 고질적 두통거리 중 하나인 재료열역학을 더 이상 두통거리가 아니라 그 논리의 아름다움을 즐기면서 공부할 수 있도록 썼다. 사실 두통의 원인은 그 의미도 잘 알 수 없고 그저 어슷비슷한 수많은 열역학 관계식들이었다. 이 책에서는 열역학 1, 2 법칙, 즉 내부에너지(U)와 엔트로피(S) 개념을 기존의 열역학 교과서처럼 역사적 발전과정을 좇아 귀납적으로 설명하되, 이 둘을 조합하여 엔트로피(S)와 부피(V)를 독립변수로 하는 에너지 바탕식 U(S,V)를 얻은 다음, 아주 간단한 수학적 요령을 적용하여 변수를 하나씩 그 켤레변수 온도(T)와 압력(P)으로 변환하여 3개의 열역학 준위함수 엔탈피 H(S,P), Helmholtz 자유에너지 F(T,V), Gibbs 자유에너지 G(T,P)를 유도하였다. 그런 후 이들 총 4개의 준위함수로부터 파생된 수많은 관계식을 한줄기 논리로 이해할 수 있도록 정리하였다. 이 논리는 대개 Callen의 불후의 명저, 연역적 열역학에 바탕을 두었다. 그러고 나서 재료의 가장 중요한 열역학적 특성인 열용량을 물리적으로 쉽게 이해한 후 화학반응 평형, 용액, 상평형 등 재료계에서 일어나는 전형적 열역학적 현상에 적용하였다. 특히 구체적 응용문제의 하나로 기존 재료열역학에서 잘 다루지 않았던 부정비 화합물의 열역학을 심도 있게 다루었다. 이는 우리 과학문명이 사용하는 재료의 조성이 날로 늘어가는 추이에 대비하기 위함이다. 그리고 이 책에서는 열역학 관계식 뒤에 숨어 있는 모든 수학적 켯속을 다 설명해 두었다. 따라서 간단한 미적분만 알면 누구나 이 책을 즐길 수 있을 것이다. 대개 학사과정 3, 4학년 또는 열역학을 심각하게 공부한 적이 없는 재료과 대학원 새내기들 수준이다.
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제1장 열역학 제-1법칙
1.1 기본 용어 정의
1.2 계의 존재상태
1.3 계의 존재상태는 어떻게 바뀌는가?
1.4 열역학이 다루는 것
1.5 평형상태의 기술
1.6 열역학 제-1법칙
1.7 상태함수, 상태특성, 본디 있는 특성, 열역학 특성, 열역학 변수
1.8 열역학적 특성, 경로에 무관한 특성
1.9 열역학적 함수의 수학적 특성
1.10 크기변수와 세기변수
익힘문제
제2장 열역학 제1법칙
2.1 계의 상태 변화
2.2 일작용
2.3 열작용
2.4 열과 일의 동등성
2.5 열역학 제1법칙
2.6 내부에너지의 특성
2.7 열역학 제1법칙의 응용
2.8 정압열용량과 정적열용량
2.9 (2U/2V )T = ?
2.10 이상기체의 열용량
2.11 등온과정
2.12 이상기체의 단열팽창
익힘문제
제3장 열역학 제2법칙
3.1 최대 일을 얻는 과정과 상태가 저절로 변화하는 방향을 판별할 수 있는 근거?
3.2 비가역 과정과 가역과정
3.3 열기관과 작동효율
3.4 카르노 엔진
3.5 엔진 효율의 절대 상한
3.6 절대온도 눈금 또는 열역학적 온도 눈금
3.7 열역학적 절대온도 눈금 = 이상기체 온도 눈금
3.8 마지막 불가능의 법칙?열역학 제3법칙
3.9 Clausius 부등식
3.10 상태변수 엔트로피의 정의
3.11 열역학 제2법칙의 정량적 표현
3.12 Clausius 금언
3.13 제2법칙의 또 다른 표현
3.14 일을 최대로 얻는 과정
3.15 변화의 자연적 방향
3.16 최대 일 과정과 자연적 변화의 방향에 관한 판단기준
3.17 열역학 1, 2 법칙의 조합
3.18 조합한 식의 효용
3.19 정리
익힘문제
제4장 엔트로피의 물리적 의미
4.1 엔트로피 계산 그리고 그 이후
4.2 엔트로피, 그 대강의 의미
4.3 무질서 혹은 혼돈의 척도 엔트로피
4.4 엔트로피의 정량적 의미
4.5 Boltzmann 식으로 본 열역학 제2법칙
4.6 기하 공간 배치 엔트로피
4.7 배치 엔트로피와 자연적 변화의 방향
4.8 Gibbs의 역설
4.9 전체 엔트로피
4.10 엔트로피 바탕식 다시 보기
4.11 이상기체의 단열팽창
익힘문제
제5장 보조함수
5.1 왜 보조함수인가?
5.2 Legendre 변환의 원리
5.3 U = U(S,V )의 Legendre 변환
5.4 미분을 이용한 더욱 간단한 변환
5.5 열역학적 보조함수의 물리적 의미
5.6 보조함수에 의한 자연적 변화 방향과 열역학적 평형 판별기준
5.7 열역학 준위함수 정리
5.8 보조함수 기억법
5.9 열린 계의 열역학
5.10 열역학 함수의 수학적 특성과 함수 간 관계식
5.11 열역학 변수의 대수학
익힘문제
제6장 열용량
6.1 열용량: 계의 열역학적 핵심 특성
6.2 정적열용량의 온도에 따른 거동
6.3 정적열용량의 이론적 계산?Einstein 모형
6.4 Debye의 수정
6.5 전자의 열용량
6.6 전체 열용량
6.7 정압열용량
6.8 온도에 따른 엔탈피 변화
6.9 온도에 따른 엔트로피 변화
6.10 열역학 제3법칙
6.11 내부평형으로부터의 괴리
6.12 열역학 제3법칙의 실험적 증명
6.13 상전이 엔트로피의 경험칙
6.14 엔탈피와 엔트로피의 압력 의존성
익힘문제
제7장 1성분계의 상평형
7.1 열역학적 평형
7.2 단일 성분계의 상평형
7.3 단일 성분계 단일 상의 몰당 자유에너지 또는 화학포텐셜
7.4 단일 성분계 물의 화학포텐셜 면 μ = μ(T,P )
7.5 인접하는 상들의 상경계(phase boundaries)
7.6 3상 평형
7.7 상평형의 기하학적 표현? 상평형도(phase diagram)
7.8 계의 자유도와 Gibbs의 상법칙
익힘문제
제8장 혼합기체
8.1 들어가는 말
8.2 이상기체
8.3 실제기체
8.4 순수한 이상기체의 열역학적 특성?화학포텐셜
8.5 부분 몰당량
8.6 이상기체를 섞을 때 일어나는 열역학적 특성 변화
익힘문제
제9장 용액열역학
9.1 용액의 정의와 거동의 대강
9.2 응집체 용액의 조성에 따른 증기압
9.3 화학포텐셜과 열역학적 활동도
9.4 용액열역학의 논리적 체계
9.5 이상용액의 특성
9.6 비이상 용액의 특성
9.7 2성분계에서의 부분 몰당량과 전체 몰당량 간 상호 변환
9.8 비이상 용액의 해석적 접근
9.9 2성분계 정규용액의 열역학적 특성
9.10 용액의 통계적 모델
9.11 버금정규용액
익힘문제
제10장 2성분계의 섞임 자유에너지 (ΔGM) 대 조성(xB) 그림
10.1 무엇을 위한 ΔGM 대 xB 그림인가?
10.2 자유에너지 대 조성 그림의 논리적 구성과 기하적 관계들
10.3 정규용액
10.4 2성분계 상평형도 계산: 완전용액의 경우
10.5 제한된 고상 용해도를 가지는 경우의 상평형도
10.6 고상 용해도를 무시할 수 있는 경우의 상평형도
익힘문제
제11장 기체끼리의 화학반응
11.1 화학반응식
11.2 화학반응 평형조건
11.3 조성변수 변환
11.4 화학반응 평형과 반응 자유에너지
11.5 활동도 몫과 반응평형상수
11.6 반응평형은 계의 엔탈피와 엔트로피의 타협 결과
11.7 화학반응 평형에 미치는 온도, 압력의 영향?Le Chatelier 원리
11.8 기체반응 평형의 예
익힘문제
제12장 응집상과 기상 간의 화학반응
12.1 들어가는 말
12.2 일반적 화학반응의 평형조건
12.3 순수한 금속의 산화반응 평형
12.4 표준반응 자유에너지 ΔGo(T )의 의미
12.5 Ellingham 도표
12.6 응집상의 상전이와 Ellingham 선의 모양
익힘문제
제13장 열역학의 응용: 몇 가지 예
13.1 들어가는 말
13.2 반응종이 응집상 용액을 이루고 있는 경우의 화학반응 평형
13.3 화합물을 형성하는 응집상 2성분계
13.4 부정비 화합물을 포함하는 2성분계
익힘문제
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류한일 교수는 서울대학교와 한국과학기술원을 거쳐 1984년 미국 MIT 재료공학과에서 박사학위를 받고, 1985년터 2017년까지 서울대학교 공과대학 재료공학부에서 물리화학, 재료열역학, 고체반응속도론, 결함화학, 고체이온공학 등을 강의하였다. 일찍이 독일 하노버 대학교 H. Schmalzried 교수께 사사하고, 일본 동북대학교와 동경대학교, 미국 MIT, 독일 아헨 대학교, 브라운슈바이크 대학교, 기센 대학교의 초빙교수와 객원교수 등을 거쳤다. 30여 년 동안 오로지 세라믹 소재의 결함구조와 물질/전하 이동현상에 천착해 오고 있으며, 지금은 특히 온도물매에 의한 물질/전하 이동현상 연구에 몰두하고 있다. 그는 초전도체가 아니면서도 열기전력이 0이 되는 소재를 발견하기도 하였고, 이온/전자 혼합전도 현상에서 ‘Onsager의 호혜관계’ 이론을 실험적으로 증명하기도 하였다. 이 분야의 이런저런 연구로 2000년 이달의 과학기술자상, 2004년 독일의 훔볼트 연구상을 수상했으며, 동경대학교 공과대학의 펠로우로도 선정되었다.
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