열역학
열역학
🗄️열역학의 기초사항
📃열역학의 개요
1)종량성 성질, 강도성 성질
종량성 성질 : 시량 특성이라고도 하며, 질량에 비례하는 상태량 (무게, 체적, 질량, 엔트로피, 엔탈피, 에너지 등)
강도성 성질 : 시강특성이라고도 하며, 물질의 양과는 무관한 상태량 (절대온도, 압력, 비체적, 비질량, 밀도, 조성, 몰분률 등)
📃온도, 압력, 비열
2)온도
온도 측정의 타당성에 대한 근거 : 열역학 제0법칙
섭씨온도
화씨온도
절대온도
섭씨온도, 화씨온도, 절대온도의 관계
섭씨온도와 화씨온도가 같은 온도 : -40 C
온도의 SI단위 : [K]켈빈
3)🥇압력(P)
- 압력의 기준단위 : Pa
- 1[Pa] : 1[㎡]의 면적에 1[N]의 힘이 작용할 때의 압력[N/㎡]
- 1[bar] = 100,000[Pa], 0.9869[atm], 14.507[psi], 750.061[㎜Hg], 10.2[mH2O](물의 수도), 1.02[kg f/㎠]
- 1[kg f/㎠] = 0.98[bar]
- 표준 대기압 : 1atm = 101.325[kPa] = 1.01325[bar] 1bar = 10^5[Pa] = 100[kPa] 산소의 분압 : P O2=101.325 X 0.21=21/3[kPa]
- 절대압력 : 대기압력 ± 게이지압력
- 대기압력 표준대기압 : 1[atm] = 760[㎜Hg], 10.33[mAq],10.33mH2O 1.033[kg f/㎠], 101.324[Pa],1.013[bar], 14.7[psi] 공학기압(1[kg f/㎠] 압력기준) : 1[at], 0.967[atm], 735.5[㎜Hg], 0.98[bar], 10.14[mH2O](물의 수도)
1000[Pa파스칼]⇒1[bar바] 1[atm기압]⇒760[Torr토르] at공학기압⇒98.0665[Pa] atm기압⇒101.325[Pa]
4)비열
- 단위질량의 물질의 온도를 단위온도만큼 올리는데 필요한 열량
- 정압비열(Cp) : 압력이 일정하게 유지되는열역학적 과정에서의 비열
- 정적비열(Cv) : 물체의 부피가 일정하게 유지되는 열역학적 과정에서의 비열
- 비열비 : k=Cp/Cv 단원자 : k=1.67(He 등) 2원자 : k=1.4(O2 등) 다원자 : k=1.33(CH4 등)
📃밀도,비중량,비체적,역량,소요전력
📃물
📃일 동력과 열효율
1)동력(출력)과 열효율
- 출력(H) 연료 발열량(HL), 연료 소모율(mf)이 주어졌을때의 열효율
- 발생동력(출력)H
- 연료 소모율(mf)
🗄️열역학 법칙
📃열역학 제1법칙
- 에너지 보존의 법칙 = 가역법칙 = 양적법칙 = 제1종 영구기관 부정의 법칙
- 열을 일로 변환할 때 또는 일을 열로 변환할 때 전체 계의 에너지 총량은 변화하지 않고 일정하다
- 계의 내부에너지의 변화량은 계에 들어온 열에너지에서 계가 외부에 해준일을 뺀 양과 같다
- 물체에 공급된 에너지는 물체의 내부에너지를 높이거나 외부인의 일을 하므로 에너지의 양은 일정하게 보존된다.
📃내부에너지와 엔탈피
📃에너지식과 단위질량유량당 축일
📃열역학 제2법칙
- 엔트로피 법칙 = 비가역법칙(에너지 흐름의 방향성) = 실체적 법칙 = 제2종 영구기관 부정의 법칙
- 임의의 과정에 대한 가역성과 비가역성을 논의하는 데 적용되는 법칙이다.
- 에너지가 전환될 때 에너지는 형태만 바뀌어 보존되지만, 외부로 확산된 열에너지는 다시 회수하여 사용할 수 없다
- 사이클에 의하여 일을 발생시킬 때는 고온체와 저온체가 필요하다
- 열은 온도가 높은 곳에서 낮은곳으로 이동한다
- 열의 그 자신만의 저온의 물체로 부터 고온의 물체로 이동할 수 없다
- 열에너지가 모두 역학적 에너지로 전환되는것은 불가능하다
- 일을 열로 바꾸는것은 용이하고 완전히 되는것에 반하여, 열을 일로 바꾸는것은 그 효율이 절대로 100%가 될 수 없다.
📃가역과정과 비가역과정
클라우지우스의 폐적분값
가역사이클
비가역사이클
📃엔트로피(Entropy)
- 자연 물질이 변형되어 다시 원래의 상태로 환원될 수 없게 되는 현상
- 다시 가용할 수 있는 상태로 환원 시킬 수 없는 무용수의 상태로 전환된 질량(에너지)의 총량
- 무질서도
- 엔트로피
- 고립계에서 엔트로피는 항상 증가하거나 일정하게 보존된다.
- 우주의 모든 현상은 총엔트로피가 증가하는 방향으로 진행되고 있다
- 자유팽창, 종류가 다른 가스의 혼합, 액체 내의 분자의 확상 등의 과정은 비가역과정이므로 엔트로피는 증가한다
- 비가역 단열 변화에서의 엔트로피 변화 : dS>0
- 열의 이동 등 자연게에서의 엔트로피 변화
- 정압 정적 엔트로피

📃카르노 사이클(CarnotCycle)
- 2개의 등온 변화(과정)와 2개의 단열변화(과정=등엔트로피 변화)로 구성된 가역 사이클(실제로 존재하지 않는 이상 사이클)이며 열기관 사이클 중에서 열효율이 최대인 사이클
- 카르노 사이클을 구성하는 과정 : 등온팽창→단열팽창→등온압축→단열압축
가역등온과정 : 고온 열저장조와 열교환
가역단열과정 : 작동유체의 온도가 저온에서 고온으로 상승
가역등온과정 : 저온 열저장조와 열교환
가역단열과정 : 작동유체의 온도가 고온에서 저온으로 감소
- 카르노 사이클 열기관의 열효율
Q1고열원의 열량 Q2저열원의 열량
T1고열원의 온도 T2저열원의온도
카르노 사이클의 손실일
- 카르노 사이클의 순환 적분 시 등온 상태에서 흡열 방열이 이루어지므로, 가열량과 사이클이 행한 일의 양은 같다.
📃열역학 제0법칙
- 열평형의 법칙
- 물체 A와B가 각각 물체 C와 열평형을 이루었다면 A와 B도 서로 열평형을 이룬다는 열역학 법칙
- 두 계가 다른 한 계와 열평형을 이룬다면, 그 두 계는 서로 열평형을 이룬다
📃열역학 제3법칙
- 절대영도 불가능의 법칙= 제3종영구기관 부정의 법칙
- 엔트로피 절댓값의 정의
- 자연계에 실제 존재하는 물질은 절대영도에 이르게 할 수 없다
- 순수한 결정의 엔트로피는 절대영도에서 0이 된다.
📃열역학 제반법칙
1)보일의 법칙
온도가 일정할 때 기체의 부피는 압력에 반비례하여 변한다
2)샤를의 법칙
압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도에 비례하여 변한다
3)보일-샤를의 법칙
📃열역학 제반 관계식
이상기체의 상태방정식
PV=nRT
PV=RT
PV=GRT
PV=mRT
🗄️이상기체 및 관련 사이클
📃이상기체
실제기체를 이상기체로 근사시키기 가장 좋은 조건
저압, 고온, 큰 비체적, 작은 분자량, 작은 분자 간 인력
정압PC, 정적VC, 등온TC, 단열, 폴리트로픽,
📃이상기체의 가역 변화 : 가역 정압과정
압력, 부피, 온도
절대일 (외부에 하는 일=팽창일)
공업일(압축일)
(가)열량
내부에너지 변화량
엔탈피 변화량
엔트로피 변화량
정압비열
체적팽창계수
비압축성 유체의 경우 β=0
📃이상기체의 가역 변화 : 가역 정적과정
압력, 부피, 온도
절대일(외부에 하는 일=팽창일)
공업일(압축일)
(가)열량
내부에너지 변화량
엔탈피 변화량
엔트로피 변화량
📃이상기체의 가역변화 : 가역 등온과정
압력, 부피, 온도
절대일(외부에 하는 일=팽창일)
공업일(압축일)
(가)열량
내부에너지 변화량,엔탈피 변화량,엔트로피 변화량
엔트로피 변화량
등온압축과정 : 기계 압축에 필요한 일응 최소로 할 수 있는 과정
-압축기에서 압축일의 크기 순 : 가역단열압축>폴리트로픽 압축일>등온압축일
-등온압축계수
📃이상기체의 가역변화 : 가역 단열과정
압력, 부피, 온도
절대일(외부에 하는 일=팽창일)
공업일(압축일)
(가)열량
내부에너지 변화량
엔탈피 변화량
엔트로피 변화량
단열변화에서
(일정)일 때 n=k이다
🥇📃이상기체의 가역 변화 : 가역 폴리트로픽 과정
폴리트로픽 과정 : PV^n=일정
폴리트로픽 지수(n)와 상태 변화의 관계식
n의 범위 : -∞~+∞
n=0이면 : P=C : 등압변화
n=1이면 : T=C : 등온변화
n=k(=1.4) : 단열변화
n=∞이면 : V=C : 등적변환
n>k이면, 팽창에 의한 열량은 방열량이 되며 온도는 올라간다.
1<n<k 이면, 압축에 의한 열량은 흡열량이 되며 온도는 내려간다
압력, 부피, 온도
절대일(외부에 하는 일=팽창일)
공업일(압축일)
비열 : 폴리트로픽 비열
외부로부터 공급되는 열량
내부에너지 변화량,
엔탈피 변화량
엔트로피 변화량
📃혼합기체
돌턴의 법칙 : 전압은 분압의 합과 같다
혼합기체의 기체상수
가스의 액화조건 : 압력상승, 온도저하(압축과정, 등압 냉각과정, 엔트로피 감소, 최종상태는 압축액 또는 포화 혼합물)

🥇📃오토 사이클(Otto)
- 적용 : 가솔린기관의 기본 사이클
- 구성 : 2개의 등적과정과 2개의 등엔트로피과정
과정 :
1-2가역 단열(등엔트로피)압축, 2-3가역 정적가열, 3-4가역 단열(등엔트로피)팽창, 4-1가역 정적방열
전기점화기관(불꽃점화기관)의 이상적 사이클이다.
압축비는 노킹현상때문에 제한을 가한다.
열효율
- 열효율은 압축비만의 함수이다
- 열효율은 공금열량과 방출열량, 작동유체의 비열비와 압축비에 의해서 결정된다
- 열효율은 작동유체의 비열비가 클수록 증가한다
- 4행정기관은 2행정기관보다 열효율이 높다
- 카르노사이클의 열효율보다 낮다.

📃디젤사이클
적용 : (저속) 디젤기관의 기본 사이클
과정(디젤기관의 행정순서) :
단열압축→정압급열→단열팽창→정적방열
압축비
차단비
열효율
- 가열(연소)과정은 정압과정으로 이루어진다(일정한 압력에서 열공급을 한다)
- 일정 체적에서 열을 방출한다
- 등엔트로피 압축과정이 있다.

📃브레이텐 사이클(Brayton)
적용 : 가스터빈의 기본 사이클
과정 : 가역 단열압축→가역 정압가열(연소)→가역 단열팽창→가역 정압방열(냉각)
2-3과정, 4-1과정의 압력은 일정하다
정압(등압) 상태에서 흡열(연소)되므로 정압(연소)사이클 또는 등압(연소)사이클이라고도 한다
실제 가스터빈은 개방 사이클이다
증기터빈에 비해 중량당 동력이 크다
공기는 산소를 공급하고 냉각제의 역할을 한다
단위시간당 동작유체의 유량이 많다.
열효율

사바테사이클
고속 디젤기관의 기본사이클
🗄️공기와 증기
🥇📃공기의 개요
1)절대습도
(φ : 상대습도, Ps : 수증기 포화압력, P : 대기압)
2)임의의 온도와 압력에서의 건조공기의 밀도(ρ2)
ρ1 : 건조공기의 밀도, T1 : 0도, P1 : 760mmHg T2 : 공기온도, P2 : 조건 대기압-공기 중 증기의 분압[mmHg]
📃공기압축기

📃증기의 개요
1)과열증기
건포화증기에 계속 열을 가하여 포화온도 이상의 온도로 된 상태이다
과열증기는 건포화증기보다 온도가 높다
과열증기의 상태 : +과열도(동일한 압력하의 과열증기와 포화증기의 온도차이), 주어진 압력에서 포화증기의 온도보다 높은 온도, 주어진 압력에서 포화증기 비체적보다 높은 비체적, 주어진 비체적에서 포화증기의 압역보다 높은 압력, 주어진 온도에서 포화증기 엔탈피보다 높은 엔탈피
포화증기를 등엔트로피 과정으로 압축시키면(가역단열압축 : 온도와 압력 상승) 과열증기가 된다
수증기는 과열도가 증가할수록 이상기체에 가까운 성질을 나타낸다.

📃증기의 열적 상태량
1)🥇건도(x)와 습도(y) 과열도 과열증기 가열량
건도
습도
과열도
과열증기온도 -포화온도
과열증기 가열량
2)건포화증기의 엔탈피(h’’)와 증발잠열(γ)
건포화증기의 엔탈피
증발잠열
건포화증기의 엔탈피, 포화액의 엔탈피, 내부 증발잠열, 외부증발잠열
3)건도 x인 습증기의 비체적, 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피
비체적
내부에너지
엔탈피
엔트로피
4)과열증기의 엔탈피
포화증기의 엔탈피, 과열증기의 평균 비열, 과열증기의 온도, 포화증기의 온도
📃교축과정
유체가 관 내를 흐를때, 단면적이 급격히 작아지는 부분을 통과할 때 압력이 급격하게 감소되는 현상(비가역 단열과정)
이상기체의 교축과정 : 온도 엔탈피 일정→압력 강하→엔트로피 증가
실제유체의 교축과정 : 엔탈피 일정→ 압력 온도 강하→ 엔트로피 비체적 속도 등가의 비가역 정상류 과정
📃유속 및 임계압력
공기의 음속
가역 단열과정에서 압축공기의 분출속도
등엔트로피 팽창과정에서의 공기의 출구속도
단열 노즐 출구에서의 증기속도
단열 노즐 출구에서의 속도계수
탱크에 저장된 건포화증기가 노즐로부터 분출될 때의 임계압력
🗄️증기동력 사이클


📃랭킨 사이클
(증기 사이클 또는 베이퍼 사이클)
- 적용 : 증기원동기의 증기동력 사이클
- 랭킨사이클의 순서 : 단열압축→정압가열→단열팽창→정압냉각
- 랭킨 사이클의 증기 원동기의 순서
펌프(단열압축)→보일러와 과열기(정압가열)→터빈(단열팽창)→복수기(정압방열)
- 랭킨 사이클의 열효율
- 랭킨사이클의 열효율 향상요인
고대 : 초온, 초압, 보일러 압력, 고온측과 저온측의 온도차, 사이클 최고온도, 과열도(증기가 고온으로과열될수록 출력 증가)
저소 : 응축기(복수기)의 압역(배압)과 온도
재역기를 사용한 재열 사이클(2유체 사이클)에 의한 운전
- 응축기의 압력을 낮출 때 나타나는 현상
고대 : 이론 열효율이 향상된다
저소 : 터빈출구의 증기건도, 응축기의 포화온도, 응축기 내의 절대압력, 배출열량
- 랭킨사이클의 특징
랭킨사이틀에도 단점이 존재한다
카르노 사이클에 가깝다
포화수증기를 생산하는 핵동력장치에 가깝다.
절탄기
보일러 본체나 과열기를 가열하고 연도에 남아 흐르는 연소가스의 열을 회수하여 급수를 예열하는 장치
연도가스의 열로 급수를 예열하는 장치


재열사이클


재생사이클
🗄️냉동 사이클
📃냉동 사이클
1)냉동톤[RT]
냉동능력을 나타내는 단위
0도의 물 1톤을 24시간 동안 0도의 얼음으로 만드는 능력
1RT=3320[kcal/h]=3.86[kW]=5.18[PS]
2)냉동기의 냉매가 갖추어야 할 조건
저소 : 응고온도, 액체비열, 비열비, 점도, 표면장력, 증기의 비체적, 포화압력, 응축압력, 절연물 침식성, 가연성, 인화성, 폭발성, 부식성, 누설 시 물품 손상, 악취, 가격
고대 : 임계온도, 증발잠열, 증발압력, 윤활유와의 상용성, 열전도율, 전열작용, 환경친화성, 절연내력, 화학적 안정성, 무해성(무독성), 내부식성, 불활성, 비가연성(내가연성)누설 발견 용이성, 자동운전 용이성

📃역카르노 사이클
- 이상적인 열기관 사이클인 카르노 사이클을 역작용시킨 사이클
- 저온측에서 고온측으로 열을 이동시킬 수 있는 사이클
- 이상적인 냉동 사이클 또는 열펌프 사이클
냉동기 : 저온측을 사용하는 장치
열펌프 : 고온측을 사용하는 장치
- 사이클과정 : 카르노 사이클과 마찬가지로 2개의 등온과정과 2개의 등엔트로피 과정으로 구성
- 과정구성 : 1-2등온팽창(증발기), 2-3단열압축(압축기), 3-4등온압축(응축기),4-1단열팽창(팽창밸브)
성능계수(성적계수) : 냉동효과 또는 여펌프 효과의 척도로 냉동 사이클중에서 성능계수가 가장 크며 성능계수를 최대로 하기 위해서는 고온열원의 온도차를 작게 하거나 저온열원의 온도(냉동기)또는 고온열원의 온도(열펌프)를 높게 하여야 한다
-냉동기의 성능계수 : 냉동 사이클에 대한 성능계수는 저온측에서 흡수한 열량을 해 준 일로 나누어 준 값
-열펌프의 성능계수
-전체 성능계수
-냉난방겸용의 열펌프 사이클 구성 주요요소 : 전기 구동압축기, 4방벨브, 전자팽창밸브 등
📃역랭킨 사이클
- 증기압축 냉동 사이클(가장 많이 사용되는 냉동 사이클)에 적용
- 역카르노 사이클 중 실현이 곤란한 단열과정(등엔트로피 팽창과정)을 교축팽창시켜 실용화한 사이클
- 증발된 증기가 흡수한 열량은 역카르노 사이클에 의하여 증기를 압축하고 고온의 열원에서 방출하는 사이클 사이에 액체와 기체상태의 두 상으로 변하는 물질을 냉매로 하는 냉동사이클
- 과정구성 : 1-2 단열압축(압축기) 2-3등압방열 (응축기) 3-4교축 (팽창밸브) 4-1등온등압(증발기)
-압축과정 : 기체상태의 냉매가 단열압축되어 고온 고압의 상태가 되며 등엔트로피 과정이다
-응축과정 냉매의 압력이 일정하며 주위의 열방출을 통해 냉매가 포화액으로 변한다
-팽창과정 대부분 등엔탈피 팽창을 한다
-증발과정 일정한 압력 상태에서 저온부로부터 열을 공급받아 냉매가 증발한다
- T-S곡선에서 수직선으로 나타내는 과정 1-2과정
- 4개의 중요기기 압축기 응축기 압력강하장치 증발기
- 흡입열량(냉동효과)
냉동능력(응축열량 또는 방출열량)
압축기에 필요한 일 (단열압축)
성능계수
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