# 이상기체가 등온 가역 팽창할 때 내부에너지 변화(ΔU)에 대한 설명으로 옳은 것은?

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> language: ko  
> subject: 열역학 기초

## 문제

이상기체가 등온 가역 팽창할 때 내부에너지 변화(ΔU)에 대한 설명으로 옳은 것은?

## 보기

1. ΔU = 0이며, 흡수한 열이 모두 일로 전환된다. **✔ 정답**
2. ΔU > 0이며, 계는 주위로부터 열을 흡수한다.
3. ΔU > 0이며, 계가 한 일만큼 내부에너지가 증가한다.
4. ΔU = 0이며, 열 교환과 일은 모두 0이다.
5. ΔU < 0이며, 계는 주위로 열을 방출한다.

**정답: 1**

## 해설

이상기체의 내부에너지는 온도만의 함수이다. 등온 과정에서는 온도 변화가 없으므로 ΔU = 0이다. 열역학 제1법칙에 의해 ΔU = q + w = 0이므로, q = -w, 즉 계가 흡수한 열은 계가 한 일과 같아진다. 따라서 흡수한 열이 모두 팽창일로 전환된다.

## 심화 해설

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.

## 임상 시나리오

약국/임상 실무 가이드
약국 실무에서 이 열역학 개념이 직접적으로 사용되지는 않지만, **제제학(Pharmaceutics)**에서 중요하게 적용됩니다.
- **임상 시나리오 (Clinical Scenario)**: 약국에서 멸균 제제를 조제할 때 오토클레이브(Autoclave, 고압증기멸균기)를 사용합니다. 이는 물을 가열하여 발생하는 수증기의 압력과 온도를 이용하는 원리인데, 여기에 열역학의 이상기체 상태방정식과 상평형 개념이 숨어 있어요. 예를 들어, 121℃에서 15분간 멸균하는 조건은 수증기의 압력이 약 2기압(atm)이 되는 조건과 관련됩니다.
- **환자 안전 및 주의사항 (Precautions)**: 직접적인 환자 안전 문제보다는 제제의 안정성(Stability)과 관련이 깊습니다. 약물의 저장 온도가 변하면 내부에너지가 변하여 분해 반응 속도가 빨라질 수 있습니다. 특히 단백질 의약품이나 백신의 경우 등온 과정을 유지하는 콜드체인(Cold chain) 관리가 매우 중요합니다.

선배 약사의 한마디
“물리약학은 약국에서 보이는 모든 현상의 기본 원리예요. ‘약이 물에 왜 잘 녹을까?’, ‘연고를 바르면 피부로 왜 흡수될까?’ 같은 궁금증의 답이 바로 물리약학에 있어요. 기본 개념을 탄탄히 다져두면, 나중에 복잡한 제형이나 약물전달시스템(DDS)을 이해하는 데 큰 힘이 됩니다!”

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