본문내용
1. 열역학 및 물성
1.1. 열역학 개요
1.1.1. 열역학의 정의
열역학이란 변화를 일으키는 능력인 에너지를 다루는 과학으로 정의할 수 있다. "열역학"이라는 용어는 그리스어 "therme(열)"와 "dynamics(힘)"에서 유래되었다. 즉, 열역학은 열과 일, 그리고 에너지 개념에 관한 학문이다. 열역학은 변화를 일으키는 에너지의 본질과 그 변화과정에 대한 기본 원리와 법칙을 연구하는 학문이라고 할 수 있다.
1.1.2. 열역학 제1법칙과 제2법칙
열역학 제 1법칙은 에너지보존법칙에 대한 하나의 표현이다. 에너지보존법칙이란 상호작용 중에 에너지는 형태가 변화될 수는 있으나 변화된 에너지의 총량은 일정하다는 법칙이다. 즉, 열역학 제 1법칙은 에너지는 양(quantity)을 가질 뿐만 아닌 질(quality)을 가지고 있으며 질을 변화시킬 때는 저하시키는 방향으로 진행된다고 설명한다. 이는 1850년대에 윌리엄 랭킨, 루돌프 클라우지스, 그리고 켈빈 남작(전 윌리엄 토마스)의 연구결과로 동시에 출현하였다.
한편 열역학 제 2법칙은 시스템과 주변 환경 사이의 에너지 변화에 대한 것으로, 열은 저온에서 고온으로 저절로 흐르지 않고 반드시 일정한 일을 수행해야만 고온에서 저온으로 이동할 수 있다는 것이다. 즉, 자연 현상은 열이 저온에서 고온으로 이동하는 것이 아니라 고온에서 저온으로 이동하는 방향으로 진행된다는 것을 의미한다. 따라서 열역학 제 2법칙은 에너지의 질적인 저하를 설명하는 법칙이라고 할 수 있다.
요약하자면, 열역학 제 1법칙은 에너지의 양적인 보존을 다루는 법칙인 반면, 열역학 제 2법칙은 에너지의 질적인 저하를 다루는 법칙이라고 볼 수 있다. 이러한 두 법칙은 열역학의 기본 원리로서 다양한 공학적 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 한다.
1.2. 고전열역학과 통계열역학
고전열역학과 통계열역학은 물질의 열적 특성을 분석하는 두 가지 접근 방식이다. 고전열역학은 거시적 관점에서 열과 일의 변화를 다루는 반면, 통계열역학은 미시적 관점에서 많은 입자들의 평균적인 거동을 분석한다.
고전열역학은 열역학 제1법칙과 제2법칙에 기반하며, 열과 일의 변화 및 에너지 보존의 원리를 다룬다. 이는 일반적인 공학 문제 해결에 용이한 접근법을 제공한다. 반면 통계열역학은 개별 입자의 거동과 그 평균적인 양상을 다룸으로써 보다 복잡한 접근법을 취한다. 통계열역학은 통계 및 양자 역학 이론에 근거하여 물질의 열적 특성을 설명한다.
고전열역학은 거시적으로 관찰 가능한 압력, 온도, 체적 등의 열역학적 상태량에 초점을 맞추는 반면, 통계열역학은 개별 입자의 미시적 거동과 이에 따른 거시적 특성의 관계를 다룬다. 이를 통해 통계열역학은 고전열역학의 한계를 보완하고, 보다 근본적인 물질의 열적 특성을 설명할 수 있다.
예를 들어, 고전열역학은 기체의 압력-부피-온도 관계를 다루는 반면, 통계열역학은 기체 분자들의 운동 특성과 이에 따른 거시적 상태량의 관계를 설명한다. 이를 통해 통계열역학은 고전열역학에서 다룰 수 없는 상태량 사이의 관계를 규명할 수 있다.
따라서 고전열역학과 통계열역학은 물질의 열적 특성을 이해하는 데 있어 상호보완적인 관계를 가진다. 고전열역학은 실용적인 문제 해결에 적합하며, 통계열역학은 보다 근본적인 물질의 열적 특성을 설명할 수 있다.
1.3. 열역학 계(System)
열역학 계(System)는 검사를 위해 선택된 물질의 양이나 공간 내의 영역으로 정의된다. 계 밖의 질량이나 영역을 주위(surroundings)라고 하고 계와 계의 주위를 분리하는 실제,가상 표면을 경계(boundary)라고 한다.
계에는 조사하는 대상이 고정질량인지 아니면 공간 내의 고정체적인지에 따라 밀폐계와 개방계로 나눌 수 있다. 밀폐계는 정해진 양의 질량으로 구성되어 있고, 질량은 경계를 통과할 수 없는 계를 말한다. 그러나 에너지는 열, 또는 일의 형태로 경계면을 통과할 수 있다. 특수하게 에너지조차 질량과 같이 계의 경계를 통과할 수 없는 계를 고립계라고 한다. 개방계(또는 검사체적)란 에너지뿐만 아니라 밀폐계와 다르게 질량 또한 경계를 통과할 수 있는 계를 말한다. 이 개방계는 많은 공학적 문제를 모델화 할 수 있다.
따라서 열역학 계는 외부와 상호작용할 수 있는 계로, 밀폐계와 개방계로 구분되며 이를 통해 공학적 문제를 모델링할 수 있다고 할 수 있다.
1.4. 상태량(Property)
상태량(Property)이란 계의 특성을 나타내는 것들을 말한다. 온도(T), 압력(P), 체적(V), 질량(M) 등이 대표적인 상태량이다. 상태량에는 계의 크기와 무관한 강성적 상태량과 계의 크기에 따라 값이 달라지는 종량적 상태량이 있다.
온도(T), 압력(P)과 같이 계의 크기와 무관한 상태량은 강성적 상태량이다. 반면 질량(M), 체적(V), 총 에너지와 같이 계의 크기에 따라 값이 달라지는 것은 종량적 상태량이다.
그 밖에도 점도, 열전도율, 탄성률, 열팽창계수, 전기저항, 속도, 고도 등이 상태량에 속한다. 이러한 상태량들은 계의 특성을 나타내는데 사용되며, 열역학 계산 및 분석에 필수적인 요소이다."
1.5. SI Units(국제단위계)
'SI 단위계는 미터와 같이 십진법에 근거하여 간단하면서 논리적인 단위계이지만 영국 단위계는 피트, 인치, 마일과 같이 명확한 수치적인 근거가 없어 배우기 힘들고 혼동을 준다. SI 단위계에는 길이의 미터(m), 질량의 킬로그램(kg), 시간의 초(s), 전류의 암페어(A), 온도의 켈빈(°K), 빛의 양을 표시하는 조도의 칸델라(cd), 그리고 물질의 양의 몰(mol)이 있다. SI 단위계에서 질량, 길이, 시간의 단위는 각각 킬로그램(kg), 미터(m), 초(s)이며, 영국단위계는 각각 파운드-질량(lbm), 피트(ft), 초(s)이다. 여기서 두 가지 단위계의 질량과 길이는 다음 관계와 같다. 1lbm = 0.45359 kg , 1 ft = 0.3048 m 위와 같이 SI 단위계와 영국단위계의 단위는 다르므로 힘, 에너지를 구하는 계산식 또한 차이가 생긴다. SI에서의 힘은 단위는 뉴턴(N)이며 1kg 질량을 1m/s²의 비율로 가속시키는 데 필요한 힘이며 영국 단위계에선 단위는 파운드-힘(lbf)이며 32.174 lbm(약 14.5938kg)의 질량을 1ft/s²의 비율로 가속시키는 데 필요한 힘으로 정의된다. 식으로 정리하면 다음과 같다. F(힘) = m(질량)·a(가속도) 1 N = 1 kg·1 m/s² (SI단위계) 1 lbf = 32.174 lbm·1 ft/s² (영국단위계) 에너지에서도 SI 단위계와 영국단위계로 나눌 수 있다. SI에서 에너지의 한 형태인 일은 힘과 거리의 곱으로 간단하게 정의된다. 일의 단위는 뉴턴-미터(N·m)이며 이것을 줄(J)이라고 한다. 영국단위계에서 에너지 단위는 Btu(British thermal unit)이며, 이것은 68°F인 물 1lbm의 온도를 1°F 높이는 데 필요한 에너지로 정의된다.."
1.6. 밀도, 비체적, 비중량, 비중
밀도(Density)는 단위 체적당 질량으로 정의된다. 즉, 물질의 질량을 그 물질이 차지하고 있는 부피로 나눈 값이다. 밀도의 단위는 일반적으로 kg/m³, g/cm³ 등으로 표현된다.
비체적(Specific Volume)은 밀도의 역수로, 단위 질량당 체적을 나타낸다. 즉, 물질 1kg이 차지하는 부피를 의미하며, 단위는 m³/kg, cm³/g 등으로 표현된다.
비중량(Specific Weight)은 물질의 단위 체적당 중량을 나타낸다. 비중량은 해당 물질의 밀도와 중력가속도의 곱으로 계산되며, 단위는 N/m³ 또는 kN/m³으로 표현된다.
비중(Specific Gravity)은 해당 물질의 밀도를 기준 물질(일반적으로 물)의 밀도로 나눈 값이다. 따라서 비중은 무차원 값으로 표현된다. 비중은 특정 온도(보통 4°C)에서 물의 밀도와 비교하여 나타낸다.
이와 같이 밀도, 비체적, 비중량, 비중은 물질의 중량 특성을 나타내는 중요한 물리량이다. 이들 값은 열역학적 물성 계산, 공정 설계 및 운전, 그리고 각종 공학적 응용 분야에서 널리 활용된다."
1.7. 상태, 평형상태, 상태의 원리
고정된 상태(state)에서 계의 모든 상태량은 고정된 값을 가지게 된다. 반대로 하나의 상태량 값이라도 변화한다고 하면 그 계는 전과는 다른 상태로 변하게 된다고 말할 수 있다. 평형상태(equilibrium state)는 계의 내부에 불균형된 포텐셜(구동력)이 없는 상태를 말한다. 여기서 평형이라는...
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