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발전공학

기력발전의 기본이론

기력발전의 기본이론

기력발전소에 적용되는 열역학 제1법칙을 설명하고, 1[kWh]의 열량이 860[kcal]임을 증명하시오. 그리고 열역학 제2법칙을 설명하시오.

임계온도와 임계압력을 설명하시오.

열역학의 기본법칙

제 1 법칙 → 에너지 보존의 법칙

(1) 모든 에너지는 그 형태를 바꾸지만 에너지의 양은 변하지 않는다.

(2) 열과 일은 다같이 에너지의 일종이며, 상호간에 변환이 가능하다.

\[1[kcal]=4.184\times 10^3[J=N\cdot m]\] \[→\frac{4,184}{9.8}=427[kg\cdot m]\] \[1[J]=0.239[cal]→1cal=4.184[J]\]
\[1[kWh]=1[kJ/s]\times 3,600[s]\] \[→0.239\times 3,600=860[kcal]\] \[1[W]=1[J/s]\]

제 2 법칙

(1) 에너지의 흐름나 형태의 변화에 대한 방향성을 가리키는 법칙

(2) “열은 쉽게 일로 변화지만, 일은 거꾸로 모두 열로 바꿀 수 없다.”
– 자연상태에서는 열은 고온의 물체로부터 저온의 물체에로는 이동하지만 반대로 저온의 물체로부터 고온의 물체로 이동하는 것은 불가능하다.
– 열에너지를 일로 변환하기 위해서는 열원보다 온도가 낮은 물체가 필요하다.

(3) 열기관
– 고열원으로부터 열량을 가지고 그 일부를 일로 변환하는 것

물과 증기의 상태

포화수(Staturated Water)

– 포화상태(끊는 점)에 도달한 물로, 1atm(760mmHg)에서 포화온도는 100℃

습증기(Wet Vapor)

– 포화수에 열을 가하면 증발이 시작되며, 물과 증기가 섞여있는 상태이다.
– 증발시까지 포화온도는 변하지 않지만, 물의 양은 줄고 증기의 양이 계속 증가하므로 부피가 급격하게 증가한다.

포화증기(Saturated Vapor)

– 포화온도에서 100% 증발이 완료된 증기

과열증기(Superheated Vapor)

– 포화온도 이상으로 과열된 증기
– 과열도=과열 증기온도-포화 증기온도
– 과열도가 클수록 완전가스에 가까워진다.

물과 증기의 상태변화에 대한 T(온도)-S(엔트로피) 선도

※ 임계점

– 임계점: 포화액과 포화증기의 상태가 동일한 압력과 온도
– 임계온도: 374.15[℃]
– 임계압력: 225.65[kg/cm2]
– 초임계압(Supercritical Pressure): 임계압력 이상의 영역
→ 표준화력: 500[MW], 증기압력 246[kg/cm2], 주증기 온도 538[℃]
→ 초초임계압: 증기압력 246[kg/cm2] 초과 또는 주증기 온도 566[℃] 초과

※ 엔트로피(S)

1) 직접측정할 수 없는 가상의 개념
2) 정의: 어떤 계에서 출입한 열량을 그때의 온도로 나눈값

\[ds=\frac{dQ}{T}[kcal/kg\cdot K]\]

※ 현열

어떤 물체에 열을 가하면 그 물체내에 축적될 내부에너지는 증가하게 되지만, 그와 동시에 외부에 대해서도 일을 하게 된다. 이 내부에너지를 증가시킨 열량의 일부는 물체의 “온도를 높여주기 위해서 사용”된다. 이 열을 현열이라고 한다.

→ 상태의 변화없이 물질의 비열[kcal/kg·℃]의한 온도변화시키는데 필요한 열량

※ 잠열(숨은열)

다른 부분의 열은 융해, 증발 등의 “상태변화를 일으키기 위해서 사용”되는데 이열을 잠열이라고 한다.

[예] 16℃의 물 500[kg]이 100[℃]의 증기로 변하는데 몇 [kcal]의 열량이 필요로 하는가?

1) 100℃ 올리는데 필요한 열량
→ (100-16)×500[kg]×1[kcal/kg·℃]=42,000[kcal]

2) 증기로 바꾸는데 필요한 열량
→ 500[kg]×539[kcal/kg·℃]=269,500[kcal]

3) 총 열량 → 42,000[kcal]+268,500[kcal]

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