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화공생명공학실험1 열역학(소프트웨어) full report

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최초등록일 2024.08.12 최종저작일 2024.06
열역학 소프트웨어 화공생명공학실험 python
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화공생명공학실험1 열역학(소프트웨어) full report
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    • 🔬 화학공학 및 열역학 분야의 심층적인 기체 상태 방정식 분석
    • 💻 Python과 Google Colab을 활용한 실제 데이터 기반 실험적 접근
    • 🌡️ 다양한 기체의 온도와 압력에 따른 상세한 거동 연구

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    소개

    화공생명공학실험1 " 열역학(소프트웨어) full report " 고득점 자료 입니다.(A+) 도움이 됐으면 좋겠습니다.

    목차

    1. Purpose
    2. Theory
    3. Materials & Method
    4. Data & Result
    5. Discussion
    6. Reference

    본문내용

    Purpose
    실험 data와 Python을 이용하여 온도에 따른 pressure vs volume 그래프를 plot하고 여러 특성을 가지는 기체의 거동을 관찰, 분석한다. 다양한 Equation of State(EoS)의 해를 구하고 plot하여 EoS들의 특성을 이해하고자 한다.

    Theory
    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. 이러한 가정을 바탕으로Ideal Gas Equation을 다음과 같이 정의한다.Eqn(1)
    PV_m=ZRT,Z=(PV_m)/RT=1,Z=V_m/(V_m^° )
    where P[atm]: pressure,V[L/mol]: molar volume,R[L∙atm/K∙mol]: gas constant,
    T[K]: temperature,Z∶compression factor (1)
    이상기체는 Eqn(1)을 만족시키며 Z(compression factor)가 항상 1이다. 실제 기체들은 위의 가정들을 만족하지 않기 때문에 비이상성을 띄며, 압력이 매우 낮거나 온도가 매우 높은 경우에만 이상기체와 비슷한 성질을 띈다.

    Viral Model : 상호작용을 갖는 실제 기체의 상태 방정식의 형태를 압력 혹은 부피의 멱급수 형태로 전개한 것을 viral expansion이라고 한다.<fig.1>

    <fig.1 Viral expansion>
    <fig.1>의 B, C, D, ……, B’, C’, D’, ……. 들을 viral coefficient라고 한다. Viral coefficient는 이상기체의 거동에서 벗어나는 경향을 나타내기 위한 것으로 Viral coefficient가 0인 경우 Ideal Gas Equation과 일치하게 된다. 일반적으로 부피가 충분히 크거나 압력이 충분히 낮으면 제 2, 3 viral coefficient 항만 고려하여 근사를 한다. 제 2, 3 viral coefficient 항은 온도와 기체의 성질에 의존적인 값으로 실험적 측정값이 존재한다.

    참고자료

    · Martin, J. J., & Hou, Y. C. (1955). Development of an equation of state for gases.
    · Langbein, D. (2006). Theory of van der Waals Attraction. Springer tracts in modern physics, 1-139.
    · Schmidt, G., & Wenzel, H. (1980). A modified van der Waals type equation of state. Chemical Engineering Science, 35(7), 1503-1512.
    · Soave, G., Gamba, S., & Pellegrini, L. A. (2010). SRK equation of state: Predicting binary interaction parameters of hydrocarbons and related compounds. Fluid Phase Equilibria, 299(2), 285-293.
    · Liu, X. J., Hu, H., & Drummond, P. D. (2009). Virial expansion for a strongly correlated Fermi gas. Physical review letters, 102(16), 160401.
    · Liu, X. J. (2013). Virial expansion for a strongly correlated Fermi system and its application to ultracold atomic Fermi gases. Physics Reports, 524(2), 37-83.
    · Sadus, R. J. (2001). Equations of state for fluids: The Dieterici approach revisited. The Journal of Chemical Physics, 115(3), 1460-1462.
    · Sobko, A. A. (2008, August). Generalized van der Waals-Berthelot equation of state. In Doklady Physics (Vol. 53, No. 8).

  • AI와 토픽 톺아보기

    • 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.

  • 자료후기

      Ai 리뷰
      기체의 온도와 압력에 따른 거동을 실험 데이터와 비교하여 분석하고, 상태 방정식의 장단점을 종합적으로 고찰하였습니다.

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