단원 4 에너지수지 제 21장 에너지 : 술어, 개념, 단위

단원 4 에너지수지

제 21장 에너지 : 술어, 개념, 단위

21.1 에너지수지에 관한 술어

System

gs Surroundin

boundary system

● 공장에서 낭비되는 에너지 --> 제품가격 증가로 경쟁력 감소 ∴ 에너지 효과적 이용 : 여러 형태의 에너지 발생

사용 및 상호변환에 관한 원리 이해 ⇒ 에너지 수지식 필요

● 공업적 반응, 단위조작 → 열 동반 예) 재비기에 가해줄 열량 크기 결정 응축기에서 제거할 열량 크기 결정 ^{⇒ 에너지 수지}

* Closed system (nonflow system, 폐쇄계) : 경계를 통하여 물질이 이동하지 않는 계

Open system (flow system, 개방계): 경계를 통하여 물질이 이동하는 계

* Property

직접 측정될 수 있는 성질(온도, 압력, 부피...)

직접 측정 할 수 없지만 계산할 수 있는 성질(에너지) 계의 성질은 주어진 시간에 처해진 상태(조건)에 의존

Extensive property(크기성질): 계의 어떤 값이 전체 계를 이루고 있는 subsystem의 각 값들의 합으로 표시되는 성질 ex) mass, volume 물질의 양에 따라 결정되는 특성(^{시량특성)}

Intensive property(세기성질): 계의 어떤 값이 가성성이 아니고 subsystem 의 물질의 량과는 무관한 성질 ex) 온도, 압력, 밀도등

물질의 양에 관계없는 비가역성의 성질^{(시강특성)}

* 상태 함수

- 값이 그 물질의 상태에만 의존

(그 상태에 어떻게 도달하였는가 에는 무관) - H＾, U＾, T, p, ρ, and compositions etc.

* 경로 함수 (path function)

- 최초상태, 최종상태 같아도 어떤 경로를 거치느냐에 의존.

- 일(work, W), 열(heat, Q), 등

○ State(상태)

어느 시점에서 물질이 일정한 성질을 가지는 것

계의 상태는 모양, 구조에 관계없고 세기성질에만 관계

21.2 에너지의 형태

일(Work), 열(Heat), 운동에너지(Kinetic energy), 위치에너지(Potential energy), 내부에너지(Internal energy), 엔탈피(Enthalpy)

21.2-1) 일(Work) : W

0 역학적 힘의 작용에 의해서 어떤 거리까지 전달된 에너지

0 온도차를 제외한 회전우력(torque) 또는 전압과 같은 추진력에 의하여 흐르는 에너지로 주위에서 계로 행해지는 일을 모든 다른 차이로 인해 전 달되는 energy로서 저장 불가.

0 계에 전달(transfer)될 때를 양수로 정의.

(계가 주위에 한 일 : +, 주위가 계에 한 일 : -)

RT V P ˆ 

- shaft work(Ws): 계내의 움직임에 의해 전달되는 일 (impeller) 계 내의 움직이는 부분에 의해 공정유체에 행해진 일

- flow work (Wf): 계에 물질을 출입시키기 위해 가해지는 일 계의 입구에서 유체에 행해진 일 계의 출구에서 행해진 일

- 전기적인 일 : 회로의 전기저항을 통해 전류가 흐르면 전기적일을 한다.

 ^



1 state

state

F ds

W

- 기계적인 일 : 기계적인 힘의 전달될 때의 일 , W = 동력

f

s

W

W

W  

- 일의 계산의 어려움

- 변위(displacement)를 정의하기가 쉽지 않다.

- 경로에 따라 어떤 값이든 가질 수 있다.

(경로 함수; path function)

- 계의 경계에 작용하는 힘이 없어도 일을 전달할 수 있다.

(자기, 전기적 효과)

state 2 state 2 F v2

Wf = ∫ F․ds = ∫ --․A ds = ∫ pdV = p(V2 - V1): 정압 state 1 state 1 A v1

v2 nRT V2

Wf = ∫ ---- dV = nRT Ln(----) : 정온과정 v1 V V1

F : external force

s : direction acting on the system

예제) 21.1

21.2-2) 열(Heat) : Q

○ 온도 차이에 의해 계의 경계를 드나드는 energy - 계에 전달(transfer)될 때를 양수로 정의.

(주위가 계에 한일 : +)

- 대류(convection), 전도(conduction), 복사(radiation) 등에 의해 교환 - 일과 마찬가지로 경로의 함수

where Q' = rate of heat transfer (Q는 임의 시간 동안 전달된 전체 열량) U = empirical coefficient (실험계수<경험에 의한>, 실험자료에서 구한다) A = 열이 전달되는 면적

△T = 계와 주위의 온도 차이(T2 - T1)

cf) 일 : 계의 기계적 상태 또는 양상(형태, 형식) 사이에서 전달된 에너지 의 양

열 : 가시적으로 관찰되지 않는 원자나 분자상태 또는 양상(형태, 형식) 사이에서 전달된 에너지의 양

○ 열의 일 당량

1cal = 4.184J = 3.086lbf-ft 1Btu = 252cal = 1.055×103J





UA

Q  

21.2-3) 운동에너지(Kinetic energy) : KE

c

k g

E mv 2

 2

주위에 대한 상대적인 운동 때문에 계가 가지는 에너지

21.2-4) 위치에너지(Potential energy) : PE

g h m g E

c p 

기준면에 대하여 물체의 질량에 작용하는 중력 때문에 계가 갖 는 에너지

21.2-5) 내부에너지(Internal energy) : U

•물질을 구성하고 있는 분자들의 회전, 진동운동, 분자들의 전자기적

상호작용 및 분자들의 내부원자들 간의 상호작용으로 인한 에 너지 → 온도, 압력, 부피, 조성 등 거시적으로 측정할 수 있는 변수로부터 계산

* 관습에 의하여, 온도와 비용을 이용하여 내부energy를 나타낸다 (단위 질량당 내부에너지)

ˆ) , ˆ(

ˆ U T V

U 

V V d

dT U T

U U d

T v

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ











 











  ₀

ˆ

ˆ  











 V T

 U







1

1

2

ˆ

ˆ

T

C

dT U

U

- 첫째 항은 정의에 의해 Cv(정용열용량)이고 둘째 항은 작아서 무시 가능

내부에너지의 절대값은 계산 할 수 없다. → 내부에너지 차

△U =

예) 0℃ 1 kg 공기를 일정부피에서 25℃까지 가열 시 내부에너지 변 화량은 얼마인가? (Cv = 2.09×104J/kg․K)

soln)

21.2-6) 엔탈피(Enthalpy) : H

일정한 압력하에서 공급되는 열과 동일한 계의 열역학적 성질 (정압하에서 계의 총열량, 열함량)

V P U

H ˆ  ˆ  ˆ

 ^{T P} 

H H ˆ  ˆ ,

P dP dT H

T H H

d

T P











 











  ˆ ˆ

ˆ

-내부energy와 마찬가지로 변화만 측정 가능 (enthalpy의 절대값은 알 수 없다)

○ 엔탈피 변화 값 계산

- State 1(계의 초기상태) State 2(계의 최종상태)

Enthalpy = H＾1 - H＾ref Enthalpy = H＾2 - H＾ref

- 실제 엔탈피 변화 = 최종상태 엔탈피 - 초기상태 엔탈피 = (H＾2 - H＾ref) - (H＾1 - H＾ref) = H＾2 - H＾1