3.1 열역학 기초 3.1.1 용어해석 1) 온도(temperature)
가. 섭씨(Celsius) : 1atm에서 빙점을 0℃, 비등점을 100℃로 100등분한 온도
나. 화씨(Fahrenheit) : 1atm 빙점을 32°F, 비등점을 212°F로 180등분한 온도 다. 섭씨와 화씨의 관계
℃
℉
°C
°F ② °F
°C
라. 절대온도(absolute temperature)
분자운동이 정지하는 상태의 온도(－273.15°C)를 기준으로 한 온도 -켈빈 온도(Kelvin temperature): K °C
-랭킹 온도(temperature Rankin): R °F
2) 비열(specific heat)
어떤 물질 1kg의 온도를 1℃ 증감하는데 필요한 의 열량 단위 : kcal/kg ℃, Btu/lb ℉
◮ 물질의 비열 ◭
물질 비열 물질 비열
물 1 증기 0.44
얼음 0.5 수은 0.033
공기 0.24 금 0.031
※ 비열비(ratio of specific heat)
① 정적비열( )：일정 체적에서의 비열 ② 정압비열( )：일정 압력에서의 비열 ③ 비열비(
)： 정적비열과 정압비열의 비
≻ ◮ 공기의 경우 :
: 0.24[kcal/kg ℃], : 0.17[kcal/kg ℃] , = 1.4 ※ 열용량 : kcal/ ℃
3) 열량(quantity of heat) 가. 열 물성치의 종류
- 1 kcal：표준대기압(1atm) 상태에서 순수한 1kg을 1℃높이는데 필요한 열량 - 1 Btu：1atm 상태에서 순수한 물 1lb를 1℉ 높이는데 필요한 열량
- 1 chu：1atm 상태에서 순수한 물 1lb를 1℃ 높이는데 필요한 열량 - 열량의 등가 관계식
나. 현열(sensible heat)물체의 상변화는 없고, 온도변화에 소요되는 열량으로 정의 한다.
⋅⋅ [kcal, kJ]다. 잠열(latent heat)
물체의 온도변화는 없고, 상변화에 필요한 열량으로 정의하며 증발(응축)잠열, 융해(응고) 잠열 등이 있다.
⋅ [kcal/kgf, kJ/kg]▸ 0℃ 얼음의 융해잠열 : 79.68(≒ 80) kcal/kgf ▸ 100℃ 물의 증발잠열 : 538.8(≒ 539) kcal/kgf
1. 물질의 3가지 형태(기체, 액체, 고체)
: 물질은 온도와 압력에 따라 기체, 액체, 고체의 3가지형태(삼태)를 이룬다.
또한, 각 형태의 변화시 에너지를 필요로 하게 된다.
1) 열량(Quantity of Heat)
① cal(Kcal) : 표준대기압 상태에서 순수한물 1g(Kg)을 1℃(14.5℃→15.5℃) 높이는데 필요한 열량
② BTU : 표준대기압 상태에서 순수한물 1lb를 1℉높이는데 필요한 열량 ③ Chu : 표준대기압 상태에서 순수한물 1lb를 1℃높이는데 필요한 열량 1BTU = 252CAL 1Chu = 1.8BTU
2) 비열(Specific Heat) : 어떤 물질 1g을 1℃ 높이는데 필요한 열량[cal/g∙℃]
물의비열 = 1cal/g∙℃ 또는 1Kcal/Kg∙℃
① 얼음의 비열 = 0.5cal/g∙℃ 또는 0.5Kcal/Kg∙℃
② 물의 비열 = 1.0cal/g∙℃ 또는 1.0Kcal/Kg∙℃
③ 수증기의 비열 = 0.6cal/g∙℃ 또는 0.6Kcal/Kg∙℃
3) 현열 : 어떤 물체가 상태의 변화 없이 온도변화에 필요한 열량 Q(현열: cal) = m(질량:g) x 비열(cal/g∙℃) x ⊿T(온도차:℃)
4) 잠열 : 어떤 물체가 온도의 변화 없이 상태가 변할 때 방출되거나 흡수되는 열 ① 물의 기화잠열(기화열) = 539cal/g 또는 539Kcal/Kg
② 얼음의 융해잠열(융해열) = 80cal/g 또는 80Kcal/Kg
2. 물의 온도곡선
: 물은 다른 물체와 마찬가지로 온도와 압력에 따라 형태가 변하는데, 온도에 따른 변화를 선으로 나타내면 다음과 같다.
EX1) 20℃ 물이 100℃의 수증기가 되려면 몇 cal의 열량을 필요로 하는가?
Q = m∙C∙⊿T + r∙m에서
Q : 필요한 열량(cal) m : 질량(g) C : 비열(cal/g∙℃) ⊿T : 온도차(℃) r : 기화잠열(cal/g)
EX2) -20℃의 얼음이 140℃의 수증기가 되려면 몇 cal의 열량을 필요로 하는가?
Q = m∙C∙⊿T + S∙m +m∙C∙⊿T + r∙m +m∙C∙⊿T에서
Q : 필요한 열량(cal) m : 질량(g) C : 비열(cal/g∙℃) ⊿T : 온도차(℃) s : 융해잠열(cal/g) r : 기화잠열(cal/g)
4) 밀도, 비중량, 비체적, 비중
가. 밀도(density): 단위 체적당 물질의 질량(mass)
구분 절대단위(SI) 공학(중력)
단위 ∙
물의 예 1000 102
나. 비중량(specific weight): 단위 체적 당 물질의 중량
구분 공학(중력) 절대단위(SI)
단위 ∙
물의 예 1000 9800
다. 비체적(specific volume): 단위 질량(중량)당 물질이 차지하는 체적
or
라. 비중(specific gravity) ① 고체 또는 액체의 비중
4℃ 물의 밀도, 무게, 비중량에 대한 어떤 물질의 밀도, 무게, 비중량의 비
∙
: 4°C 물의 밀도, 비중량, 무게 ∙
: 어떤 물질의 밀도, 비중량, 무게 ② 기체의 비중공기의 분자량에 대한 어떤 기체의 분자량의 비 공기의분자량
어떤기체의분자량 - 공기의 분자량= 28.8 g/mole
밀도는 공기의 압력이 1기압이고 온도가 0℃라 가정할 때 공기 1mole은 무조건 22.4l 이므로 공기의 밀도 = 28.8g/22.4ℓ = 1.28g/ℓ.
공기의 비중은 공기가 1기압 0℃ 일 때 기준이므로 밀도와 같음.
절대압력＝대기압＋게이지(계기)압＝대기압－진공
예제) 공기의 평균분자량이 29일때 탄산가스(CO2)의 증기밀도는 얼마인가?
CO2의 증기밀도 = 공기의분자량
의분자량=
= 1.52
* 주요원소의 원자량, 분자량
원자량 : 수소(H) : 1 , 탄소(C) : 12 , 산소(O) : 16, 질소(N) : 14 염소(Cl) : 35,
분자량 : 수소(H2) : 2 (1 x 2), 산소(O2) : 32 (16 x 2),
이산화탄소(CO2) : 44 (12 + 16 X 2), 물(H2O) : 18 (1 x 2 + 16)
마. 압력(pressure)
단위 면적당 수직으로 작용하는 힘을 의미한다.
- 표준 대기압(atm)
atm kgf cm mmHg mAq psi
- 공학기압(at =ata)
at kgfcm mmHg mAq psi - 절대압력
① 절대압력(absolute pressure)：완전 진공 상태를 기준으로 한 압력
② 계기압(gauge pressure)：대기압을 기준으로 측정한 압력
③ 진공압(vacuum pressure)：진공의 정도를 나타내는 값으로 대기압을 기준.
바. 동력(power)
단위 시간당 일의 비율
구분 ∙
(영국마력) 76 641.6 0.746
(국제마력) 75 632.3 0.735
102 860 -3.1.2. 열역학 법칙
1) 열역학 제 0법칙(The zeroth law of thermodynamic) - 열평형법칙
- 온도가 서로 다른 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체의 온도는 내려가 낮은 온도의 물체 온도는 올라가서 결국 열평형상태가 된다.
- 물체 A와 B가 다른 물체 C와 각각 열평형을 이루었다면 A와 B도 열평형을 이룬다. 즉 한 물체 C와 각각 열평형 상태에 있는 두 물체 A와 B는 서로 열평형 상태에 있다.
∆여기서
열량 질량
비열 ℃ ∆ 온도변화 ℃2) 열역학 제1법칙(the first law of thermodynamic)
- 열과 일은 에너지의 한 형태로 일은 열로 열은 일로 변환이 가능
- 에너지 보존 법칙이다. 에너지는 형태가 변할 수 있을 뿐 새로 만들어지거나 없어질 수 없 다. 일정량의 열을 일로 바꾸었을 때 그 열은 소멸된 것이 아니라 다른 장소로 이동하였거나 다른 형태의 에너지로 바뀌었을 뿐이다. 에너지는 새로 창조되거나 소멸될 수 없고 단지 한 형태로부터 다른 형태로 변환될 뿐이다.
여기서
열량
기계적일
일의열당량 ≡
열의일당량 ≡ - 일의 열(상)당량 :
kcalkgf⋅m
- 열의 일(상)당량 :
kgf⋅mkcal※ 제 1종 영구기관: 에너지공급 없이 영구히 일하는 기관(열역학 제 1법칙에 위배)
3) 열역학 제 2법칙
- Kelvin plank 표현: 열을 모두 일로 변환하는 것은 불가능하다.
- Clausius 표현: 열에너지는 스스로 저온에서 고온으로 이동할 수 없다.
※ 제2종 영구기관：100% 효율을 가진 기관(열역학 제2법칙 위배)
4) 엔탈피(enthalpy ; h) : [ ]
열역학상의 상태량을 나타내는 양으로 어떤 상태의 유체 1kg이 가지는 열에너지 H = U + PV
여기서
H: 엔탈피[kj. kcal.]. U: 내부에너지. P: 압력. V: 체적
5) 엔트로피(s) : 무질서 도를 나타내는 상태량으로서 열의 이용 가치를 나타내는 종량적 성 질. 1865년 클라우지우스는 열역학 제2법칙을 포괄적으로 설명하기 위해 엔트로피라고 부 르는 새로운 물리량을 제안했다.
클라우지우스가 제안한 엔트로피(S)는 열량(Q)을 온도(T)로 나눈 양(S= Q/T)이었다.
. [ ∙
]엔트로피는 감소하지 않으며, 불변 또는 증가만 하는데, 계(界) 내에서의 과정이 가역과 정(=등 엔트로피과정)이면 ds = 0(불변)이고, 엔트로피가 증가(ds 〉0)하면 비가역과정 이다. 즉, 실제에서 어떤 계(界) 속에서의 과정을 지나면 엔트로피는 항상 증가하게 된다 는 것을 의미하며 이것을 엔트로피 증가의 원리라고 한다.
6) 건도：전체 질량에 대한 증기 질량의 비를 건도라 하며
로 표기한다.-현열(sensible heat：감열)：어떤 물질이 상태 변화 없이 온도상승에 소요되는 열량 - 현열
⋅
⋅kcal- 엔탈피 ′ ′′ ′
：질량[], ：비열[ ∙℃], ：온도차[℃]
-잠열(latent heat)：온도 변화 없이 상태 변화에 소요되는 열량
⋅ kcal：질량[],
：잠열[kcal/]3.1.3 이상기체상태방정식
1) 이상기체(理想氣體. Idea gas) 정의
이상기체는 크기가 매우 작아 무시할 수 있는 입자로 이루어진 가상의 기체이다.
일반적으로 다음과 같은 주요 가정을 바탕으로 한다 - 기체 분자간 힘이 존재하지 않는다.
- 기체를 이루는 원자나 분자는 용기의 벽면과 완전 탄성 충돌을 한다.
- 끊임없이 불규칙한 직선 운동을 한다. 따라서 운동에너지 손실 없이 운동에너지가 보존.
- 위치에너지, 인력, 반발력, 기체 분자 자체의 부피는 무시한다.
- 이상기체상태방정식(보일의 법칙,샤를의 법칙,아보가드로의 법칙)을 만족하는 기체.
실제 기체에서는 온도, 압력의 모든 범위에서 이들 법칙을 모두 따르는 기체는 존재하지 않으며, 일부 가벼운 기체(수소, 산소, 질소 등)는 이상기체의 특성(법칙)에 상당히 가깝 다. 저압, 고온의 증기도 이상기체와 비슷하게 거동한다. 이상기체와 실제 기체은 구분은 다음과 같다.
구분 이상기체 실제 기체
분자의 크기 질량은 있으나 부피는 없음 기체의 종류에 따라 다름
0k(-273℃)의 부피 0 0k 이전에 고체나 액체로 됨
기체 관련 법칙 일치 않음(고온, 저압에서 일치)
분자간 인력 없음 있음
2) 이상기체상태 관련 법칙 가. 보일의 법칙(Boyle's law)
"(이상)기체의 양과 온도가 일정하면, 압력(P)과 부피(V)는 서로 반비례한다."
수식으로 표현하면 다음과 같다.