핵심 해설
이 문제는 물리약학(Physical Pharmacy)에서 가장 기본이 되는 열역학 제1법칙과 이상기체(ideal gas)의 성질을 묻고 있어요. 핵심은
“이상기체의 내부에너지(Internal Energy, U)는 온도(T)만의 함수”라는 점이에요. 즉, 온도가 변하지 않는 등온(Isothermal) 과정에서는 내부에너지 변화(ΔU)가 반드시 0이 됩니다.
1.
핵심 개념 분석 (Key Concept): 이상기체 분자 간에는 인력이나 반발력이 없고, 분자 자체의 부피도 무시할 수 있어요. 따라서 분자의 운동 에너지(내부에너지)는 오직 온도에 의해서만 결정됩니다. 등온 가역 팽창(isothermal reversible expansion)은 계(system)와 주위(surroundings)가 같은 온도를 유지하면서 매우 천천히 부피가 변하는 과정을 말해요. 온도가 일정하므로 ΔU = 0입니다.
2.
정답 근거 (Answer Rationale):
핵심! 열역학 제1법칙은 ΔU = q + w (q: 계가 흡수한 열, w: 계가 받은 일)입니다. 등온 가역 팽창에서 ΔU = 0이므로, q = -w가 성립합니다. 여기서 w는 계가
받은 일(음의 값)을 의미하지만, 관점에 따라 계가
한 일(W, 양의 값)으로 표현하면 q = W가 됩니다. 즉, 계가 주위로부터 흡수한 열(q)이 모두 계가 주위에 한 팽창일(work)로 전환된다는 뜻입니다. 따라서 보기 1번이 정확해요.
3.
오답 분석 (Distractor Analysis):
-
혼동 주의! ②번, ③번: ΔU > 0이 되려면 온도가 증가해야 해요. 등온 과정이므로 온도 변화가 없어 ΔU는 0입니다. 단열 과정(Adiabatic process, q=0)과 혼동하지 마세요.
- ④번: ΔU = 0인 것은 맞지만, “열 교환과 일은 모두 0”이라고 한 부분이 틀렸어요. 등온 팽창에서는 열 교환(q ≠ 0)과 일(w ≠ 0)이 모두 발생합니다. 이 보기는 자유 팽창(Free expansion, 진공으로의 팽창)과 혼동한 경우예요.
- ⑤번: ΔU < 0이 되려면 온도가 감소해야 합니다. 이는 단열 팽창(Adiabatic expansion)에서 온도가 내려가는 현상과 관련이 있어요.
4.
연관 개념 정리 (Related Concepts): 등온 가역 팽창에서 계가 한 일(W)은 W = nRT ln(V2/V1)로 계산됩니다. 이상기체의 경우 등온 과정에서 엔탈피 변화(ΔH)도 0입니다. 이 점을 함께 기억해두면 좋아요.
개념 정리
| 과정(Process) | ΔU | q | w | 핵심 조건 |
|---|
| 등온 가역 팽창 (Isothermal Reversible Expansion) | 0 | 양수(흡수) | 음수(팽창일) | 온도 일정 (dT=0) |
| 단열 팽창 (Adiabatic Expansion) | 음수 | 0 | 음수(팽창일) | 열 교환 없음 (q=0) |
| 자유 팽창 (Free Expansion) | 0 | 0 | 0 | 진공으로 팽창 (w=0) |
약리기전 포인트
직접적인 약리기전은 아니지만, 약물의 용해도나 투과도 같은 물리화학적 성질을 이해하는 기초가 됩니다. 예를 들어, 압력-부피 관계를 통해 폐포 내 가스 교환을 이해하거나, 약물 전달 시스템(에어로졸)의 분사 원리를 이해하는 데 필요합니다.
암기 팁
“이상기체 등온 팽창 = 온도 안 변해 = 내부에너지 변화 0 = 흡수한 열 = 한 일” 이 흐름만 외우세요!
국시 빈출 포인트
약사 국가고시 물리약학에서 열역학 제1법칙은 단골 출제 주제입니다. 이상기체의 등온/단열/자유 팽창을 표로 정리하여 ΔU, q, w의 부호와 값을 비교하는 문제가 자주 나와요.