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1. 열역학
1.1. 열역학의 개념
열역학이란 물질의 열과 일의 전환관계를 다루는 학문이다. 열역학은 모든 자연 현상의 근간을 이루고 있다고 할 수 있다. 열역학의 개념은 다음과 같다.
열역학은 계(system)와 주위(surroundings)로 구분되며, 계 내부에서 열과 일의 전환과정을 설명한다. 계는 물질과 에너지의 집합체로 볼 수 있으며, 계와 주위 사이에 열과 일의 교환이 있다. 열역학에서는 물질이나 에너지의 흐름에 관한 기본법칙을 제시한다.
열역학에서는 계의 상태를 나타내는 여러 가지 상태량을 정의한다. 대표적인 상태량으로는 온도, 압력, 부피, 내부에너지 등이 있다. 이러한 상태량들은 계의 상태를 완전히 규정할 수 있는 독립변수이다.
열역학에서는 물질 및 에너지의 변화를 기술하는 여러 가지 법칙을 제시한다. 대표적으로 열역학 제1법칙은 에너지 보존법칙을, 열역학 제2법칙은 자연계의 불가역성을 다룬다. 이러한 법칙들을 통해 열과 일의 상호 전환관계, 열기관의 효율 등을 설명할 수 있다.
열역학은 단순히 열과 일의 전환관계를 다루는 학문에 그치지 않고, 다양한 공학 분야에 광범위하게 응용된다. 열기관, 냉동기, 열교환기 등의 설계 및 해석에 열역학 이론이 활용되며, 화학공정, 재료공학, 환경공학 등 여러 분야에서도 열역학 원리가 적용된다.
종합하면, 열역학은 물질과 에너지의 상호작용을 규명하는 학문으로, 다양한 공학 분야에서 중요한 기초 이론을 제공한다고 할 수 있다.
1.2. 열량과 일
열량과 일은 계의 경계에서 관찰되는 상태량이다. 열량은 계 내부에서 전달된 양이며, 일은 계의 경계에서 수행된 일량이다. 이들은 상태량이 아니며, 상태 변화에 따라 달라지는 과정량이다. 즉, 열과 일은 계의 경로에 의존되며, 시간이 함수가 된다.
열량과 일의 관계는 열역학 1법칙으로 설명된다. 열역학 1법칙에 따르면 계에 가해진 열량(Q)은 계의 내부에너지 변화(ΔU)와 계가 주위에 행한 일량(W)의 합과 같다. 즉, Q = ΔU + W이다. 이는 에너지 보존의 법칙을 의미한다.
밀폐계에서의 일량은 압-체적(pV) 선도상에서 압력 축에 투영된 면적으로 구할 수 있다. 개방계에서의 일량은 압력-체적(pV) 선도상의 면적에 질량유량(ṁ) 및 속도 변화를 더하여 계산된다. 또한 일은 압축일, 소비일, 유동일 등으로 구분된다.
한편 열량은 단위질량당 온도변화에 비열을 곱하여 계산할 수 있다. 정적비열(Cv)은 내부에너지 변화를, 정압비열(Cp)은 엔탈피 변화를 나타내며, 기체의 경우 내부에너지와 엔탈피는 온도만의 함수이다.
이처럼 열량과 일은 계의 상태 변화에 따라 달라지는 과정량으로, 열역학 1법칙을 통해 계의 에너지 출입을 파악할 수 있다.
1.3. 완전가스의 상태변화
완전가스의 상태변화는 압력, 체적, 온도 간의 관계를 통해 설명될 수 있다. 완전가스는 이상기체 상태방정식인 pV=mRT로 표현되며, 이 방정식을 통해 완전가스의 상태변화에 따른 관계식을 도출할 수 있다.
완전가스의 상태변화에는 정적변화, 정압변화, 등온변화, 단열변화, 폴리트로픽 변화 등이 있다.
정적변화는 온도가 일정할 때 압력과 체적의 관계를 나타낸 것으로, p/T=일정, V/T=일정의 관계가 성립한다. 절대일은 0이며, 공업일은 V(p2-p1)로 계산된다. 내부에너지 변화는 ΔU=CV(T2-T1)이고, 엔탈피 변화는 Δh=Cp(T2-T1)이다. 열량은 ΔU에 해당한다.
정압변화는 압력이 일정할 때 온도와 체적의 관계를 나타낸 것으로, v/T=일정의 관계가 성립한다. 절대일은 p(v2-v1), 공업일은 0이다. 내부에너지 변화와 엔탈피 변화는 정적변화와 동일하다. 열량은 Δh에 해당한다.
등온변화는 온도가 일정할 때 압력과 체적의 관계를 나타낸 것으로, pv=일정의 관계가 성립한다. 절대일, 공업일, 열량은 모두 p1v1ln(v2/v1)로 동일하며, 내부에너지 변화와 엔탈피 변화는 0이다.
단열변화는 단열 상태에서 압력, 체적, 온도 간의 관계를 나타낸 것으로, pv^k=일정, Tv^(k-1)=일정의 관계가 성립한다. 절대일은 ΔT/(k-1), 공업일은 kΔT/(k-1)이며, 내부에너지 변화와 엔탈피 변화는 CV(T2-T1)이다. 열량은 0이다.
폴리트로픽 변화는 정압변화와 단열변화의 중간 상태로, pv^n=일정, Tv^(n-1)=일정의 관계가 성립한다. 절대일은 ΔT/(n-1), 공업일은 nΔT/(n-1)이며, 내부에너지 변화와 엔탈피 변화는 CV(T2-T1)이다. 열량은 Cn(T2-T1)이다.
이와 같은 완전가스의 상태변화는 공정의 분석과 해석, 기계 설계 등에 중요하게 활용된다."
1.4. 열역학 제2법칙
열역학 제2법칙은 완전히 가역(reversible)적인 과정에서만 최대의 열효율을 얻을 수 있다는 것을 말한다. 즉, 실제의 열기관은 반드시 가역과정이 아니기 때문에 열효율은 최대값보다 낮다는 것을 의미한다. 따라서 열역학 제2법칙은 열에너지를 기계적 에너지로 완전히 변환할 수 없다는 것을 말한다.
열기관의 열효율 η는 유효열량(일량) W를 공급열량 Q_H로 나눈 것으로 표현할 수 있다. 즉, η = W/Q_H이다. 여기서 공급열량 Q_H는 고온열원에서 흡수한 열량이고, 유효열량 W는 열기관에서 생산한 일량이다.
열역학 제2법칙에 따르면, 모든 열기관은 내부 마찰, 열손실 등의 비가역적 현상으로 인해 열효율이 최대값보다 낮다. 따라서 열기관의 열효율 η는 0과 1 사이의 값을 갖는다. 특히 열역학 제2법칙은 영구기관(perpetual motion machine)의 불가능성을 말하고 있다.
열역학 제2법칙에 의하면, 열은 저온에서 고온으로 절대 흐르지 않는다. 즉, 저온에서 고온으로 열이 흐르기 위해서는 반드시 외부로부터 일을 해 주어야 한다. 이러한 원리를 이용하여 냉동기나 열펌프 등의 장치를 만들 수 있다.
열역학 제2법칙에 따르면, 일의 전환 과정에서 발생하는 열손실은 피할 수 없으며 이는 엔트로피 증가로 나타난다. 따라서 열역학 제2법칙은 자연계의 모든 변화가 엔트로피 증가 방향으로 진행한다는 것을 의미한다.
이처럼 열역학 제2법칙은 열기관의 효율 문제, 영구기관 불가능성, 열의 자발적 이동 방향, 엔트로피 증가 등을 설명하는 중요한 법칙이다. 이 법칙은 자연계의 본질적인 특성을 나타내는 것으로 현대 과학기술의 많은 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있다."
1.5. 냉동 및 열펌프
냉동사이클은 열기관의 역작용으로, 고온의 열원으로부터 저온의 공간으로 열을 이동시킴으로써 저온의 공간을 냉각하는 것이다. 냉동기와 열펌프는 모두 동일한 원리를 바탕으로 작동하며, 전자는 저온 공간을 만들어 내는 것이 목적이고 후자는 고온 공간을 만들어 내는 것이 목적이다.
냉동기의 성적계수는 냉동효과와 압축기의 소요일량의 비율로 정의되며, 이는 투입된 일량에 대한 냉각 효과를 나타내는 척도가 된다. 냉동기의 성적계수 varepsilon_r = Q_L / W_C 로 표현된다. 여기서 Q_L은 증발기에서의 흡입열량(냉동효과)이며, W_C는 압축기의 소요일량이다.
한편 열펌프의 성적계수는 공급한 열량과 압축기의 소요일량의 비율로 정의되며, 이는 투입된 일량에 대한 열공급 효과를 나타내는 척도가 된다. 열펌프의 성적계수 varepsilon_h = Q_H / W_C로 표현되며, 여기서 Q_H는 응축기에서의 방열량이다.
냉동기와 열펌프의 성적계수 관계는 varepsilon_h = varepsilon_r + 1 로 나타낼 수 있다.
흡수식 냉동사이클은 암모니아와 물의 친화력을 이용하여 물을 암모니아의 흡수제로 사용하고 그 수용액을 가열함으로써 냉매의 증기를 발생시킴과 동시에 압축하는 방식이다. 흡수식 냉동기는 압축식과 달리 기계적 에너지 대신 열에너지를 사용하기 때문에 소요 동력이 작지만, 장비가 많이 필요하여 초기 투자비가 크다는 단점이 있다.
2원 냉동 사이클은 저온측과 고온측의 2단계로 구성되며, 저온 공간을 -60℃ 이하로 낮출 수 있다. 이를 위해 서로 다른 냉매를 사용하며, 저온측 냉매와 고온측 냉매의 성능이 중요하다....
