화공생명공학실험1 열역학(소프트웨어) full report

문서 내 토픽

• 1. Ideal Gas Equation

  Ideal Gas Equation은 실제 기체가 아닌 이상기체의 거동을 다루는 상태 방정식으로 다음과 같은 기체 분자 운동론의 가정을 따른다. 1) 기체 분자들은 끊임없이 무질서한 불규칙한 운동을 하며 다양한 속력 분포를 가진다. 2) 기체 분자들 간의 인력과 척력은 존재하지 않는다. 3) 기체 분자간의 모든 충돌은 완전 탄성 충돌이다. 4) 기체 분자의 고유 크기는 무시한다. 5) 기체 분자의 평균 운동 에너지는 오로지 절대 온도에만 비례하며 분자의 종류, 크기 등에 영향을 받지 않는다.

• 2. Viral Model

  상호작용을 갖는 실제 기체의 상태 방정식의 형태를 압력 혹은 부피의 멱급수 형태로 전개한 것을 viral expansion이라고 한다. Viral coefficient는 이상기체의 거동에서 벗어나는 경향을 나타내기 위한 것으로 Viral coefficient가 0인 경우 Ideal Gas Equation과 일치하게 된다.

• 3. Vander Waals Equation

  Vander Waals Equation은 분자의 부피와 상호작용을 고려하여 Ideal gas equation을 변형한 유체의 3차 상태 방정식이다. a는 분자 간 상호작용을 의미하고 b는 분자의 실제 부피를 의미한다. Vander Waals Equation은 입자의 구형을 가정하기 때문에 기체-액체 평형과 임계점 부근에서 오차를 보이고 극성 분자를 정확히 표현하지 못한다는 단점이 있다.

• 4. Acentric factor

  Acentric factor는 단순 유체와 인력의 중심이 벗어난 정도를 의미하고 실제 기체가 이상 기체의 거동에서 얼마나 벗어나 있는지 나타내는 값이다. 같은 환산 압력과 온도에서 같은 acentric factor를 가지는 모든 유체는 거의 같은 compression factor를 가지고 이상 기체의 거동으로부터 거의 동일한 정도로 벗어난다.

• 5. Soave-Redlich-Kwong Equation

  Soave-Redlich-Kwong Equation(SRK Equation)은 단순 유체 물질 외의 물질을 나타내기 위해 acentric factor를 도입하여 Ideal gas equation을 변형시킨 상태 방정식이다. 액체의 밀도를 예측하는 것에 오차가 있어 SRK식을 좀 더 정확한 상태방정식으로 개선한 Peng-Robinson Equation이 도입 되었다.

• 6. 환산 온도, 환산 압력

  어떤 물질의 온도와 압력의 임계 온도와 임계 압력에 대한 비를 환산 온도(Tr), 환산 압력(Pr) 이라고 한다. 같은 환산 온도, 환산 압력, 환산 부피 하에 존재하는 기체는 종류와 상관없이 모두 같은 compression factor를 가지는 현상을 대응상태의 원리라고 한다.

• 7. 실험 데이터 분석

  H2, He, Ar, CH4, CO2, H2O 기체의 실험 데이터를 바탕으로 다양한 상태 방정식(Ideal Gas Equation, Viral Model, Vander Waals Equation, SRK Equation)을 적용하여 기체의 거동을 분석하였다. 온도와 압력 변화에 따른 기체의 압축인자 변화를 통해 각 상태 방정식의 장단점을 확인하였다.

• 8. 상태 방정식 활용

  연료전지차량에서 연료전지 시스템의 수소 저장 및 공급 과정에서 온도, 압력, 부피 등의 물성 추정에 상태 방정식을 활용할 수 있다. 또한 Vander Waals 방정식의 한계를 보완한 Berthelot 방정식, Dieterici 방정식 등의 개선된 상태 방정식을 통해 고온 상태에서의 기체 거동을 보다 정확히 예측할 수 있다.

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• 1. Ideal Gas Equation

  The Ideal Gas Equation is a fundamental relationship in thermodynamics that describes the behavior of gases under certain conditions. It relates the pressure (P), volume (V), amount of substance (n), and absolute temperature (T) of a gas through the simple formula PV = nRT, where R is the universal gas constant. This equation is widely used in various fields, including chemistry, physics, and engineering, to model the behavior of gases and understand their properties. The Ideal Gas Equation is an approximation that assumes the gas molecules are point-like, non-interacting particles, and the volume occupied by the gas molecules is negligible compared to the total volume of the container. While this model is not perfect, it provides a good starting point for understanding gas behavior and is often used as a baseline for more complex equations of state, such as the Van der Waals equation or the Soave-Redlich-Kwong equation, which account for intermolecular interactions and other factors. The Ideal Gas Equation remains a valuable tool in the study of thermodynamics and the behavior of gases.

• 2. Viral Model

  The Viral Model is a mathematical model used to describe the spread of viral infections within a population. This model takes into account factors such as the rate of transmission, the incubation period, and the recovery rate of the virus. The Viral Model is particularly useful in understanding the dynamics of infectious diseases and predicting the potential impact of an outbreak. By analyzing the parameters of the model, researchers can gain insights into the factors that influence the spread of a virus and develop strategies to mitigate its impact. The Viral Model has been widely used during the COVID-19 pandemic to study the transmission dynamics of the SARS-CoV-2 virus and inform public health policies. While the Viral Model provides a useful framework for understanding viral infections, it is important to note that real-world situations can be more complex and may require additional factors to be considered. Ongoing research and refinement of the Viral Model can help improve our understanding of infectious disease dynamics and inform more effective public health interventions.

• 3. Vander Waals Equation

  The Van der Waals equation is an important modification of the Ideal Gas Equation that takes into account the finite size of gas molecules and the attractive forces between them. This equation is particularly useful for modeling the behavior of real gases, especially at high pressures and low temperatures, where the assumptions of the Ideal Gas Equation break down. The Van der Waals equation introduces two additional parameters, 'a' and 'b', which represent the attractive forces between molecules and the finite volume occupied by the molecules, respectively. By incorporating these factors, the Van der Waals equation can more accurately describe the phase transitions and critical points of real gases, such as the liquid-gas critical point. The Van der Waals equation has been widely used in various fields, including chemical engineering, thermodynamics, and materials science, to study the properties and behavior of real gases and liquids. While the Van der Waals equation is not perfect and has its limitations, it represents a significant improvement over the Ideal Gas Equation and has contributed to our understanding of the complex behavior of real-world systems.

• 4. Acentric factor

  The acentric factor, also known as the Pitzer acentric factor, is a dimensionless parameter used in thermodynamics and chemical engineering to characterize the non-sphericity or non-ideality of a substance. It is particularly useful in the context of equations of state, such as the Soave-Redlich-Kwong (SRK) and Peng-Robinson equations, which are used to model the behavior of real fluids. The acentric factor is a measure of the deviation of a substance's vapor pressure curve from that of a simple, spherical molecule, such as methane. Substances with a higher acentric factor, like water or alcohols, have more complex molecular structures and exhibit stronger intermolecular interactions, leading to deviations from the ideal gas behavior. The acentric factor is typically determined experimentally or estimated using empirical correlations, and it is an important parameter in the development and application of advanced equations of state. Understanding and accurately accounting for the acentric factor is crucial in various applications, such as the design of chemical processes, the prediction of phase equilibria, and the modeling of complex fluid systems.

• 5. Soave-Redlich-Kwong Equation

  The Soave-Redlich-Kwong (SRK) equation of state is a widely used model in chemical engineering and thermodynamics for describing the behavior of real fluids. It is an extension of the earlier Redlich-Kwong equation, which itself was an improvement over the Ideal Gas Equation. The SRK equation incorporates the effects of intermolecular attractive forces and the finite size of molecules, allowing it to more accurately predict the phase behavior and thermodynamic properties of real substances, especially at high pressures and near the critical point. The key advantage of the SRK equation is its simplicity and relatively good accuracy for a wide range of substances, including hydrocarbons, gases, and some polar compounds. The equation requires only two parameters, the critical temperature and pressure, as well as an additional acentric factor to account for the non-sphericity of the molecules. The SRK equation has been extensively used in various applications, such as the design of separation processes, the modeling of phase equilibria, and the prediction of thermodynamic properties. While it has its limitations, particularly for highly polar or associating substances, the SRK equation remains a valuable tool in the field of chemical engineering and thermodynamics.

• 6. 환산 온도, 환산 압력

  환산 온도와 환산 압력은 상태 방정식을 사용하여 실제 유체의 거동을 모델링할 때 중요한 개념입니다. 환산 온도와 환산 압력은 실제 유체의 임계점을 기준으로 무차원화된 온도와 압력을 의미합니다. 이를 통해 다양한 유체의 거동을 보편적으로 표현할 수 있으며, 상태 방정식의 적용 범위를 확장할 수 있습니다. 환산 온도와 환산 압력은 특히 Peng-Robinson 방정식이나 Soave-Redlich-Kwong 방정식과 같은 고급 상태 방정식을 사용할 때 중요한 역할을 합니다. 이러한 방정식들은 임계점 근처의 유체 거동을 보다 정확하게 예측할 수 있으며, 환산 온도와 환산 압력은 이러한 예측을 가능하게 하는 핵심 인자입니다. 따라서 환산 온도와 환산 압력에 대한 이해는 실제 유체의 거동을 모델링하고 예측하는 데 필수적입니다.

• 7. 실험 데이터 분석

  실험 데이터 분석은 다양한 과학 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 실험을 통해 수집된 데이터를 체계적으로 분석하고 해석하는 것은 이론적 모델을 검증하고 새로운 발견을 하는 데 필수적입니다. 실험 데이터 분석에는 통계적 기법, 데이터 시각화, 모델링 등 다양한 방법론이 활용됩니다. 이를 통해 실험 결과의 신뢰성을 확보하고, 실험 조건과 결과 간의 상관관계를 규명할 수 있습니다. 또한 실험 데이터 분석은 실험 설계 및 개선, 이론 모델의 보완, 새로운 가설 수립 등에 활용될 수 있습니다. 특히 최근에는 빅데이터 분석 기술의 발달로 인해 실험 데이터 분석의 범위와 깊이가 크게 확장되고 있습니다. 따라서 실험 데이터 분석 역량은 과학 연구에서 매우 중요한 핵심 기술로 자리잡고 있습니다.

• 8. 상태 방정식 활용

  상태 방정식은 물질의 압력, 부피, 온도 등 열역학적 특성을 수학적으로 표현한 식으로, 다양한 공학 분야에서 널리 활용됩니다. 대표적인 상태 방정식으로는 이상기체 방정식, Van der Waals 방정식, Soave-Redlich-Kwong 방정식 등이 있습니다. 이러한 상태 방정식은 실제 유체의 거동을 모델링하고 예측하는 데 사용됩니다. 예를 들어 화학 공정 설계, 열역학 물성 예측, 상평형 계산 등에 활용됩니다. 상태 방정식의 활용은 공정 최적화, 에너지 효율 향상, 환경 영향 저감 등 다양한 측면에서 중요한 역할을 합니다. 최근에는 분자 모델링, 기계 학습 등 첨단 기술을 접목하여 상태 방정식의 정확성과 활용도를 더욱 높이는 연구가 진행되고 있습니다. 따라서 상태 방정식에 대한 이해와 활용 능력은 화학공학, 기계공학, 에너지 공학 등 다양한 분야에서 필수적인 역량이라고 할 수 있습니다.