흡열 과정

흡열 과정(endothermic process)은 주변에서 열을 흡수하는 화학적 또는 물리적 과정이다.^[1] 열역학 측면에서 볼 때, 시스템의 엔탈피 H (또는 내부 에너지 U)가 증가하는 열역학 과정이다.^[2] 흡열 과정에서 시스템이 흡수하는 열은 시스템으로 전달되는 열에너지이다. 따라서 흡열 반응은 일반적으로 시스템의 온도를 증가시키고 주변의 온도를 감소시킨다.^[1]

이 용어는 19세기 프랑스 화학자 마르셀린 베르텔로가 만들었다.^[3] 흡열(endothermic)이라는 용어는 '내부'를 의미하는 그리스어 ἔνδον (endon)과 '뜨거운' 또는 '따뜻한'을 의미하는 θερμ- (therm)에서 유래한다.^[4]

흡열 과정은 질산 암모늄(NH
4NO
3)이 물(H
2O)에 용해되는 것과 같은 화학적 과정이거나, 얼음 조각이 녹는 것과 같은 물리적 과정일 수 있다.^[5]

흡열 과정의 반대는 발열 과정으로, 열의 형태로, 때로는 전력량의 형태로 에너지를 방출하거나 "내뿜는" 과정이다.^[1] 따라서 흡열(endothermic)에서 endo는 에너지가 안으로 들어가는 것을 의미하고, 발열(exothermic)에서 exo는 에너지가 밖으로 나가는 것을 의미한다. 각 용어(흡열 및 발열)에서 접두사는 과정이 일어날 때 열(또는 전기 에너지)이 어디로 가는지 나타낸다.^[6]

화학에서

티오시안산 암모늄과 수산화 바륨으로부터 티오시안산 바륨이 형성되는 과정은 매우 흡열적이어서 비커를 젖은 스티로폼에 얼릴 수 있다.

다양한 과정(상태 변화, 화학 반응)에서 결합이 끊어지고 형성되므로 일반적으로 에너지 변화가 발생한다. 형성되는 결합의 에너지가 끊어지는 결합의 에너지보다 크면 에너지가 방출된다. 이를 발열 반응이라고 한다. 그러나 결합을 끊는 데 필요한 에너지가 방출되는 에너지보다 많으면 에너지가 흡수된다. 따라서 이는 흡열 반응이다.^[7]

세부 사항

어떤 과정이 자발적으로 일어날 수 있는지는 엔탈피 변화뿐만 아니라 엔트로피 변화(∆S)와 열역학 온도 T에도 달려 있다. 어떤 과정이 특정 온도에서 자발 과정이라면, 생성물의 엔탈피가 더 높더라도 생성물은 반응물보다 더 낮은 열역학적 자유 에너지 G = H – TS를 가진다(일발성 과정).^[2] 따라서 흡열 과정은 일반적으로 불리한 엔탈피 증가를 극복하여 여전히 ∆G < 0이 되도록 시스템에서 유리한 엔트로피 증가(∆S > 0)를 필요로 한다. 녹는 것과 기화하는 것과 같이 엔트로피가 더 높은 무질서한 상태로의 흡열 상전이는 흔하지만, 중간 온도에서 자발적인 화학 과정은 거의 흡열적이지 않다.^[8] 가설적인 강한 흡열 과정에서 엔탈피 증가 ∆H ≫ 0는 보통 ∆G = ∆H – T∆S > 0을 초래하며, 이는 과정이 일어나지 않을 것임을 의미한다(전기 에너지나 광자 에너지에 의해 구동되지 않는 한). 흡열적이고 발열적인 과정의 예시는 다음과 같다.

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6 H2O -> 12 H2 + 6 CO2}}}$

${\displaystyle \Delta _{r}H^{\circ }=+627\ {\text{kJ/mol}},\quad \Delta _{r}G^{\circ }=-31\ {\text{kJ/mol}}}$.

예시

• 증발
• 승화 (화학)
• 알케인의 크래킹 (화학)
• 열분해
• 가수분해
• 별의 핵에서 니켈보다 무거운 원소의 핵합성^[9]
• 고에너지 중성자는 흡열 과정에서 리튬-7으로부터 삼중수소를 생성할 수 있으며, 2.466 MeV를 소비한다. 이는 1954년 캐슬 브라보 핵실험이 예상치 못한 높은 수율을 보였을 때 발견되었다.^[10]
• 초신성에서 철보다 무거운 원소의 핵융합^[11]
• 수산화 바륨과 염화 암모늄을 함께 용해시키는 것

흡열성(endothermic)과 내온성(endotherm)의 구별

"흡열성(endothermic)"과 "내온성(endotherm)"이라는 용어는 모두 고대 그리스어 ἔνδον endon "내부"와 θέρμη thermē "열"에서 유래했지만, 맥락에 따라 매우 다른 의미를 가질 수 있다.

물리학에서 열역학은 시스템과 그 주변을 포함하는 과정에 적용되며, "흡열성(endothermic)"이라는 용어는 시스템이 에너지를 "(내)부로" 가져가는 반응을 설명하는 데 사용된다(반면 "발열성" 반응은 에너지를 "외부로" 방출한다).^[12][13]

생물학에서 체온 조절은 생물이 체온을 유지하는 능력이며, "내온성(endotherm)"이라는 용어는 내부 신체 기능에 의해 방출되는 열을 사용하여 적절한 온도를 유지함으로써 "내부로부터" 그렇게 할 수 있는 생물을 의미한다(반면 "외온동물"은 외부 환경의 열원에 의존한다).^[14]