본문내용
1. 가스 동력 사이클
1.1. 서론
열기관은 고온의 열을 받아들이고 저온에서 열을 방출하는 것이 기본이다. 열기관에는 내연기관과 가스터빈 등이 있지만 이들의 작동유체는 연소가스를 사용하기 때문에 이러한 열기관이 하는 사이클을 가스사이클이라고 한다. 이 가스사이클은 공기를 작동유체로 하는 공기 표준 사이클과 이상적인 열기관인 카르노 사이클 등 다양한 종류로 나뉜다. 가스 동력 사이클은 이러한 열기관들이 작동하는 열역학적 과정을 의미한다. 따라서 가스 동력 사이클은 공기나 연소가스와 같은 기체를 작동유체로 사용하여 열에너지를 기계적 일로 변환하는 열역학 과정을 포함한다.
1.2. 가스 동력 사이클의 종류
1.2.1. 카르노 사이클(카르노 열기관)
카르노 사이클(카르노 열기관)은 이상 기체를 작동 물질로 사용하는 열기관이다. 카르노 기관은 단원자 이상기체를 사용하는 것을 기본적인 전제로 한다. 또한 가상의 기관이므로 분자간의 마찰이 없고, 열기관을 작동하는데 외부로 손실되는 열도 존재하지 않는다고 가정하여 열기관 중에서 최대의 효율을 끌어낼 수 있다. 프랑스의 공학자 니콜라 레오나르 사디 카르노가 고안해낸 가장 이상적인 열기관이다.
카르노 기관은 이상기체를 사용하는 가상의 이상적인 기관이다. 그러므로 외부로 손실되는 열이 없기 때문에 실제로 존재하는 열기관들에 비해서 열효율이 높다. 카르노 기관의 열 효율이 1, 즉 100%가 되기 위해서는 고온부의 온도인 T2의 온도가 무한대로 상승하거나 저온부의 온도인 T1의 온도가 0에 가까워져야 한다. 그러나 고온부와 저온부의 온도가 그렇게 될 수 없으므로 카르노 기관의 열 효율은 1이 될 수 없다. 이를 바탕으로 실존하는 열 기관은 모두 카르노 기관보다 열 효율이 좋지 않고, 카르노 기관은 열효율이 1보다 낮다는 것을 알 수 있으며, 이는 '열효율이 1인 기관은 존재하지 않는다.'라는 것을 증명하는 방법이 될 수 있다.
카르노 기관의 사이클은 등온 팽창, 단열 팽창, 등온 압축, 단열 압축의 4단계로 이루어진다. 1단계와 3단계에서는 고온에서 열을 흡수하고 저온에서 열을 버림으로써 열의 낙하가 일어난다. 기체는 1단계에서 팽창하면서 한 일이 3단계에서 압축되면서 받는 일보다 많으며, 2단계에서 한 일과 4단계에서 받은 일의 양은 거의 상쇄된다. 따라서 한 번 순환할 때마다 열이 고온에서 저온으로 떨어지며, 전체적으로 일을 한 것이 된다.
이처럼 카르노 기관은 열역학 이론상 가장 이상적인 열기관이지만, 실제로 존재하는 열기관들에 비해 열효율이 높아 불가능한 기관이다. 하지만 카르노 사이클은 실제 열기관의 성능을 평가하는 기준이 되며, 열기관 설계 시 카르노 사이클의 열효율에 최대한 근접하도록 노력하고 있다.
1.2.2. 가스 터빈
가스 터빈은 연소가스의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 회전동력기관이다. 가스 터빈은 압축기와 터빈 그리고 연소실로 구성되어 있고 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소함으로써 고온 고압의 기체가 팽창하고 이 힘을 이용하여 터빈을 구동한다. 에너지는 샤프트를 통해 토크(Torque)로 전달되거나 추력이나 압축 공기 형태로 얻는다. 이렇게 얻은 에너지로 항공기, 기차, 선박, 발전기, 전차(戰車) 등을 구동하는 데 쓰인다.
가스 터빈은 공기를 압축기에서 압축시킨 후 연소실에서 연료와 섞어 연소시켜 고온 고압의 연소가스를 생성한다. 이 고온 고압의 연소가스를 터빈에 통과시켜 터빈을 회전시키고, 터빈의 회전력은 출력축을 통해 기계적 동력으로 전달된다. 가스 터빈 엔진은 이러한 과정을 통해 열에너지를 기계적 동력으로 변환하여 활용한다.
가스 터빈의 장점은 다음과 같다. 첫째, 단순한 구조로 인해 경량화가 가능하고 소형화가 가능하다. 둘째, 연...
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