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수천∼수만 도의 높은 온도에서 발생하는 원자와 기체 분자의 화학적 변화, 즉 플라즈마 상태에서의 화학반응을 열역학적 관점에서 소개하는 책이다. 한국기계연구원에서 지난 30년간 산업용 플라즈마 발생과 이를 활용한 화학반응 공정기술을 연구한 저자들이 직접 얻은 플라즈마 관련 여러 자료와 실험 결과들을 제시하고, 우리가 지금껏 알고 있던 열역학과 어떻게 연계되어 있는지를 소개한다.

이 책은 수천∼수만 도의 높은 온도에서 발생하는 원자와 기체 분자의 화학적 변화, 즉 플라즈마 상태에서의 화학반응을 열역학적 관점에서 소개한다.
이 책의 저자들은 한국기계연구원에서 지난 30년간 산업용 플라즈마 발생과 이를 활용한 화학반응 공정기술을 연구하였다. 이에 따라 이 책에서는 오랜 기간 저자들이 직접 얻은 플라즈마 관련 여러 자료와 실험 결과들을 제시할 수 있었고, 이들 플라즈마 지식이 우리가 지금껏 알고 있던 열역학과 어떻게 연계되어 있는지를 소개할 수 있었다.

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머리말 _ 3



제1장 원자와 분자의 에너지 ……… 9

1-1. 빛에 대한 이해: 양자역학의 출발점 _ 11

1-2. 원자와 분자의 지문: 원자 및 분자의 스펙트럼 _ 14

원자와 분자의 가짓수 _ 14

원자와 분자의 지문: 빛의 스펙트럼 _ 15

원자와 분자의 내부 에너지 _ 17

병진, 회전 및 진동 에너지 및 전자전이 에너지의 상대적 크기 비교 _ 19

분자의 스펙트럼 _ 22

1-3. 원자와 분자의 내부 에너지 변화가 일으키는 자연 현상(빛의 방출, 열 방출, 화학반응, 이온화) _ 25

복사 감쇠 및 비복사 감쇠, radiative relaxation과 non-radiative relaxation _ 26

화학반응 및 이온화 _ 29

LIF, Laser Induced Fluorescence _ 33

1-4. 빛의 종류와 에너지: 뜨거운 적외선보다 더 높은 에너지를 가진 자외선 _ 35

1-5. 빛과 전자기파: 다른 듯 같은 존재 _ 41

빛의 투과 _ 42

고체에 대한 전자기파의 투과력(1): 마이크로파 _ 45

고체에 대한 전자기파의 투과력(2): X-선 _ 46

1-6. 흑체 복사: 고전역학의 실패 그리고 양자역학의 태동 _ 47

Rayleigh-Jeans의 빛의 세기에 대한 수식 유도 및 자외선 파탄(UV catastrophe) _ 52

Rayleigh-Jeans가 유도한 과정 _ 56

Planck가 유도한 과정 _ 58

1-7. 보이는 빛과 보이지 않는 빛 _ 60

촛불: 보이는 빛과 보이지 않는 빛 _ 60

가스 불: 푸른 불 _ 62

숯불구이가 왜 맛이 좋다고 할까? _ 63

1-8. 조명의 역사 _ 65



제2장 물질의 에너지 ……… 71

2-1. 네 가지 물질 상태: 고체, 액체, 기체 그리고 플라즈마 _ 73

고체, 액체, 기체 및 플라즈마 상태 _ 74

2-2. 기체 물리: 미시적 관점과 거시적 관점 _ 80

미시적 관점과 거시적 관점 _ 83

통계 열역학의 출발점, 분포와 확률 _ 84

정규 분포 _ 86

Maxwell-Boltzmann Speed Distribution _ 89

2-3. 미시적 관점에서 바라본 압력과 열 및 물질 전달 _ 95

열전도 계수, 점성계수, 확산계수 _ 99

2-4. 미시적 관점에서 바라본 계의 내부 에너지 _ 103

거시적 관점에서의 내부 에너지 및 엔탈피 _ 103

미시적 관점에서의 내부 에너지: 저온 조건의 내부 에너지 _ 109

2원자 분자(diatomic molecule)의 온도에 따른 비열 _111

고온 조건에서의 비열: 분자의 해리 및 이온화 _ 112

고온 조건에서의 열전도 계수 _ 115

2-5. 볼츠만 분배법칙 _ 119

왜 물리·화학에서는 자꾸만 자연 지수 함수 ex가 등장하는가? _ 125

Boltzmann distribution rule, 볼츠만 분배법칙 _ 126

분배함수: 통계 열역학과 고전 열역학의 연결 고리 _ 132

열역학적 상태함수 _ 135

Boltzmann 분배 법칙과 다른 분배 법칙 _ 136

2-6. 엔트로피: 우주의 시작과 끝을 암시하는 법칙 _ 137

Clausius의 통찰력으로 탄생한 엔트로피 _ 147

엔트로피가 암시하는 우주의 미래 _ 156

2-7. Gibbs 자유 에너지: 자연의 변화를 예측하는 열역학 함수 _ 158



제3장 플라즈마 화학반응 공정 ……… 169

3-1. 열이 주도하는 화학반응: 평형 상태에서의 화학반응 _ 171

물리적 현상으로 바라본 기체 상태의 열화학반응 _ 171

활성화 에너지에 대한 이해(1): 촉매를 활용한 활성화 에너지의 감소 _ 177

활성화 에너지에 대한 이해(2): 화학반응의 종류에 따라 달라지는 활성화 에너지 _ 179

현실적인 열화학반응의 경로 _ 180

저온 화학반응: 점화 _ 184

3-2. 열과 무관하게 일어나는 화학반응: 비평형 상태의 화학반응 _ 187

광화학 반응 예 1: 성층권의 오존 생성과 소멸 _ 189

광화학 반응 예 2: 지표면에서의 오존 생성 및 광 스모그 _ 190

전자-분자 간의 화학반응 및 화학반응 속도 _ 192

플라즈마 화학반응의 특성(1): 다양한 반응 경로 _ 197

플라즈마 화학반응의 특성(2): 반응 효율 및 속도 _ 198

플라즈마 화학반응의 특성(3): 온도와 무관한 반응 _ 201

플라즈마 화학반응의 특성(4): 공간적 선택성 _ 202

3-3. 레이저 _ 203

spontaneous emission과 stimulated emission _ 207

빛의 증폭 조건: Population Inversion _ 209

3-4. 플라즈마의 특성(1): 비평형 및 평형 플라즈마 _ 213

비평형 및 평형 플라즈마 _ 215

평형 및 비평형 플라즈마의 기준, E/n _ 217

3-5. 플라즈마의 특성(2): 플라즈마 속의 입자 운동 _ 218

열확산 속도와 드리프트 속도의 상대적인 영향력 비교 _ 221

이상적인 플라즈마 조건: 디바이 차폐 및 준중성 _ 222

3-6. 대기압 비열(비평형) 플라즈마의 발생과 특성 _ 225

대기압 비열 플라즈마 발생 _ 225

대기압 비열 플라즈마의 전자 온도 및 농도 _ 229

3-7. 대기압 아크 플라즈마의 발생과 특성 _ 233

대기압 아크 플라즈마의 발생: arc column의 모양과 구조 _ 234

캐리어 가스의 종류에 따른 아크의 형상 _ 236

arc column의 열 및 물질 수지 _ 238

cathode 전극의 수명 및 냉각 _ 243

cathode 전극 부근에서의 열 및 물질 수지 _ 246

3-8. 플라즈마를 활용한 화학반응 공정 _ 250

플라즈마 화학반응 공정의 활용-일반론 _ 251

플라즈마 종류에 따른 화학반응의 특성-기계연구원 연구 _ 256

3-9. 플라즈마를 활용한 열공학 응용기술 _ 270

비열 플라즈마를 활용한 탄화수소의 흡착 및 탈착 _ 270

플라즈마 버너(1): combustion assisted by plasma _ 272

플라즈마 버너(2): diesel burner assisted by plasma _ 273

연료 개질기를 활용한 Ultra Low NOx 버너 _ 276



찾아보기 _ 279

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