열역학은 열과 일의 출입에 따라 나타나는 자연현상의 원리를 탐구하는 학문으로, 자연과학을 다루는 물리학, 화학은 물론 기계공학, 화학공학, 재료공학을 비롯한 공학 전반의 기초 학문일 정도로 매우 중요한 학문 분야입니다. 이에 따라 각 학과의 교육과정에서 필수 또는 핵심 교과목으로 지정하여 교육하고 있습니다. 수학/물리/화학을 공부해야 이들을 기반으로 이루어진 응용 과학 또는 공학 분야 교육과정을 이해할 수 있는 것처럼, 열역학도 과학/공학 분야에서 물리/화학 다음으로 기초를 이루는 매우 중요한 학문입니다. 그러함에도 불구하고 열역학은 처음 배우는 학생에게는 상당히 이해하기가 어려운 교과목으로 느껴지고 있습니다. 본 교재는 재료공학을 전공하는 학생들이 어려워하는 열역학을 최대한 이해하기 쉽게 그리고 내용이 체계적으로 연결될 수 있도록 구성함으로써, 처음 배우는 학생이 큰 어려움을 겪지 않고 열역학이라는 커다란 산을 오를 수 있도록 도와줄 목적으로 만들어졌습니다. 이를 위해 재료를 구성하고 있는 물질들의 안정성, 상태 변화, 그리고 화학 반응을 지배하는 근본 원리 등 핵심 개념을 체계적으로 설명하였습니다. 특히 엔트로피의 물리적 의미를 탐구해 봄으로써 자연현상이 어떤 원리로 일어나는지를 이해할 수 있게 합니다. 아울러 자유에너지 개념을 도입하여 특정 조건에서 재료가 어떠한 거동을 하는지를 예측할 수 있게 해주는 원리를 배움으로써, 기체의 거동, 용액의 형성, 상변태, 화학 반응 등 재료에서 관찰되는 다양한 현상을 정량적으로 해석하고 예측할 수 있는 능력을 배양합니다. 또한, 이 책은 이상기체·실제기체 모델, 이상용액·정규용액 모델 등 이론적 도구를 소개하고, 이를 화학반응의 평형(Ellingham 도표), 상평형(상태도), 전기화학적 평형(Nernst 방정식, Pourbaix 도표)과 같은 실제 문제에 어떻게 적용하는지 단계적으로 설명합니다. 이를 통해 열역학이 단순한 이론을 넘어 재료 설계, 개발, 공정 제어의 확고한 과학적 기반임을 분명히 알려주고 있습니다. 독자의 학습을 돕기 위해 각 장은 개념 설명과 물리적 해석을 우선하고, 필요한 수식은 맥락과 목적을 분명히 한 뒤 도입합니다. 핵심 정리, 예제, 요약, 개념 점검 문제를 통해 스스로 점검할 수 있도록 구성했습니다.

I. 서론 II. 열역학 제 1, 2, 3 법칙 III. 상태, 상태변수 그리고 프로세스 IV. 기체의 거동 IV-1 Boyle-Charles Gas Law IV-2 van der Waals Equation IV-3 Internal Energies of Ideal Gas and Real Gas V. 상태 변화 과정과 열용량 V-1 Processes of Ideal Gas i) 등체적과정 (Constant Volume Process) ii) 등압과정 (Constant Pressure Process) iii) 단열과정 (Adiabatic Process) iv) 등온과정 (Isothermal Process) V-2 Heat Capacity V-3 Enthalpy, H V-4 Temperature Change during an Adiabatic Process VI. 엔트로피의 통계역학적 해석 VI-1 Definition of Entropy S VI-2 Statistical Interpretation of Entropy VI-3 Thermal Entropy and Configurational Entropy VI-4 Boltzmann Distribution Function VI-5 Proof of lnΩ being proportional to Clausius Entropy S VII. 가역과정과 비가역과정 VII-1 Irreversible Process VII-2 Entropy of Irreversible Processes VIII. 보조함수 VIII-1 Geometric Relations VIII-2 Auxiliary Functions (1) Enthalpy (2) Helmholtz Free Energy (3) Gibbs Free Energy VIII-3 Differentials of Auxiliary Functions VIII-4 Maxwell Relations VIII-5 Applications of Maxwell Relation using Experimentally determined Parameters IX. 엔탈피와 엔트로피 함수 그리고 Gibbs 자유에너지 IX-1 Enthalpy as a function of Temperature under a constant Pressure IX-2 Entropy as a function of Temperature under a constant Pressure IX-3 Gibbs Free Energy as a function of Temperature under a constant Pressure IX-4 Phase Diagram determined from Gibbs Free Energy Change with Temperature and Pressure IX-5 Clapeyron Equation IX-6 Clausius-Clapeyron Equation X. 기체의 거동 X-1 Temperature Variation by Heat Transfer under constant Pressure X-2 Pressure Variation by Work Transfer under constant Temperature X-3 van der Waals Gas Model describing Real Gas Behavior XI. 혼합 기체의 거동 XI-1 Gibbs Free Energy Variation with Pressure under constant Temperature XI-2 Mixture of Ideal Gases XI-3 Partial Molar Quantities and their Physical Meanings XI-4 Chemical Potential as a Partial Molar Quantities XI-5 Equilibrium Vapor Pressure of a Component in Condensed Solutions XI-6 Activity and Activity Coefficient XI-7 Raoult's Law and Henry's Law XI-8 Chemical Potential and Activity XII. 화학반응 평형 XII-1 Reactions involving Gases XII-2 Effect of Temperature on Chemical Reaction Equilibrium XII-3 Reference Pressure and Effect of Total Pressure on Chemical Reactions XII-4 Reactions involving Pure Condensed Phases and a Gaseous Phase (1) CO/CO2 비율 조절을 이용한 산소분압 조절 (2) H2/H2O 비율 조절을 이용한 산소분압 조절 XII-5 Reactions involving Condensed Solution Phases and a Gaseous Phase XIII. 상태도 XIII-1 Free Energy Change as a Solute dissolving into a Matrix XIII-2 Gibbs Free Energy of a Binary System XIII-3 Ideal Solution XIII-4 Development of Phase Diagrams XIII-5 Development of Eutectic Phase Diagrams XIII-6 Development of Other Phase Diagrams XIV. 용액모델 XIV-1 Non-ideal Mixing XIV-2 Regular Solution Model XV. 전기화학 XV-1 Ionization Energy of an Element XV-2 Equilibrium in Two Phase Systems involving an Electrolyte XV-3 Equilibrium in an Electrochemical Cell XV-4 Standard Hydrogen Electrode XV-5 Pourbaix Diagram (1) The Stability of Water (2) Pourbaix Diagram for Copper

본 도서는 『재료열역학: 처음 배우는 학생을 위한 열역학』이라는 제목으로, 재료열역학을 처음 접하는 학생들을 위해 한주환 저자가 집필했습니다. 열역학은 기계공학과 화학공학을 포함한 공학 전반의 필수적인 기초 학문이며, 본 교재는 이러한 열역학적 원리를 재료 시스템에 특화하여 적용함으로써, 주어진 조건에서 재료 내부에서 일어나는 변화와 그 원리를 이해하는 데 목적을 둡니다. [교재의 핵심 내용 및 구성] * 열역학의 근본 원리 체계적 설명: 본 교재는 에너지 보존(제1법칙), 자발적 과정에서의 엔트로피 증가(제2법칙), 엔트로피의 절대 기준(제3법칙)의 세 가지 경험적 법칙을 기반으로 핵심 개념을 체계적으로 설명합니다. * Gibbs 자유에너지 중심의 예측: 특히 자발적 변화의 방향과 평형을 가늠하는 핵심 상태함수인 Gibbs 자유에너지 G를 통해 기체의 거동, 용액의 형성, 상변태, 화학 반응 등 다양한 재료 현상을 정량적으로 해석하고 예측할 수 있게 합니다. * 응용 분야 및 모델 소개: 이상기체/실제기체 모델, 이상용액/정규용액 모델 등 이론적 도구를 소개하고, 이를 화학반응 평형(Ellingham 도표), 상평형(상태도), 전기화학적 평형(Nernst 방정식, Pourbaix 도표)과 같은 실제 문제에 단계적으로 적용하는 방법을 설명합니다. * 학습 편의를 위한 구조: 독자의 학습을 돕기 위해 각 장은 개념 설명과 물리적 해석을 우선하며, 필요한 수식은 맥락과 목적을 분명히 한 뒤 도입했습니다. 또한, 핵심 정리, 예제, 요약, 그리고 개념 점검 문제를 통해 스스로 학습 내용을 점검할 수 있도록 구성되어 있습니다. * 추가 학습 자료 제공: 강의 노트와 영상 자료는 ‘https://ceramic.yu.ac.kr’에서 제공될 예정입니다. 본 교재는 열역학이 단순한 이론을 넘어 재료 설계, 개발, 공정 제어의 확고한 과학적 기반임을 분명히 하며, 재료의 안정성, 상변화, 화학 반응을 지배하는 근본 원리를 중심으로 깊이 있는 이해를 돕습니다.