열역학

(1)

열역학

Ⅰ. 제1장 기본

1 계(system)

① 밀폐계 동작 물질이 입•출입이 가능하지 않고, 계의 경계를 통해서 일과 열의 교환이 있는계.

“비유동계” - 실린더

② 개방계 도작물질의 입•출입이 가능하고 계의 경계로 일과 열이 교환,

“유동계” - 펌프, 터빈, 압축기 등 2 상태 상태량(성질)

① 강도성 질량의 변화에 영향이 없는 성질 : 온도, 밀도, 압력, 비체적, 비 내부에너지, 비엔탈피, 비엔트로피

② 종량성 질량의 변화에 영향이 있는 성질 : 체적, 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피

3 밀도, 체적, 비체적

  

 

 [㎏·m/㎡]    ∙   

 _[N/㎥]

  

  

 [㎥/㎏] _{ }

_

  _



4 절대압력

① 1[atm]=760[㎜Hg]=10.33[mAq]=101325[㎩]=10332[㎏·f/㎡]

② _ ⇒ ⊕ : 정압, _ ⇒ ⊖ : 부압(진공압),

③ ___ ___

절대압력 = 대기압+게이지압 절대압력 = 대기압-진공압

_:절대압력, _:대기압

_:,진공압, _:게이지압

※ 절대압력 : 완전 진공을 기준으로 정의된 압력

④ 진공도 __{ }

_

_

×100 [%] ※ 대기압 중 몇%가 진공인가?

5 함수

① 도정함수 : 불완전 미분방정식 “열”, “일”







 ∙__

② 점 함수 : 완전미분방정식 상태량“”



_^^^^^^^^^ ^{ ∆}^

6 열량

① 비열 어떤 물질 1[㎏·m]을 1[℃]높이는데 필요한 열량 : [㎉/㎏·℃], [kJ/㎏·℃]

※ 물의 비열 : 1 [㎉/㎏·℃] = 4.2 [kJ/㎏·℃]

② 온도

절대온도  ∆℃   [°K] ※ 온도차는 K, ℃ 같음 섭씨온도 __{ }



^  [℃], 화씨온도 _ _{ }



^ ^[°F]

③   ∙∙ ∆ [kJ, J, ㎉],  ∙ ∆ [kJ/㎏, ㎉/㎏],  ∙ , 

 



_^^^^^{∙ }^^^^^{∙ ∆}^^,^^ ^{ }



_∆_





_∙ 

(2)

7

_{ }

∆_

_

 ∆

 _

∙∙ ^

8 열역학 제 “0”법칙 : 온도평형의 법칙



^^{ }

9 효율

  _

_

  ∙ _

  : 연료소비율,  _ : 저위발열량

10 열전달

① 전도 :   ∙



^∆

∆



[kw, ㎉/h]  : 상수

 : 넓이

∆ : 온도

∆ : 두께

② 대류 :   ∙∙ ∆ [kw, ㎉/h]

③ 복사 :   ∙∙^ ∝^(온도⁴ 비례)

Ⅱ. 제2장 열역학 제1법칙 : 에너지 보존의 법칙

1 일량

① 절대일 : __







∙ 

① 공업일 :   



_^^^{∙ }^

2 전이현상

① , ∙, ∙

※ 1[㎉]=427[㎏·f·m]=4.2[kJ] _{: }_^ [㎉/㎏·f·m],  : 427[㎏·f·m/㎉]

② 사이클 :



^^



^^,



^^^



^^

(3)

3 상태변화에 따른 열역학 제1법칙

 ^_^^ [kJ/kg]

㉲ __  ∆ _ ∆ 



_^^^{∙ }^

㉳    ∙   ∙^∙  ^∙ 

② 밀폐계

㉮ __ ∆__ ∆







∙ 

㉯ __  ∆ __ [kJ/㎏]

㉰    ∙   ∙ 

4 공업일

① ___^___^_^___^_ ∆∙

5 정적비열 / 정압비열

_{  }

   ∙  ∴  _∙ 

_{  }

     ∙  ∴  _∙ 

Ⅲ. 제3장 이상기체(ideal gas)

1 보일 / 샤를의 법칙



∙



① ^ (압력이 일정) 정압 : _

_

 _

_

② ^ (체적이 일정) 정적 : _

_

 _

_

③  )온도가 일정) 등온 : __ __

(4)

2 이상기체 상태방정식

① ∙  ∙∙ 일반기체상수 : 8,314[J/mol·K]

=848[㎏·f·m/kmol·K]

② _{ }



_

 



⋆ ∙_{ ⋆   }



몰수

∴_ ∙ ∴  ∙∙

③ __ ^비열비_{ }

_

_

∴_ _{ }

 

 ∴__{ }

 

 ∙

∴  ∙  ∴  ∙ 

공기의 상태량 : K=1.4,

R=287[J/㎏·K]=29.27[㎏·f·m/㎏·K]

Ⅳ. 제4장 열역학 제2법칙

1 열 이동성 : 비가역성

① 제1종 영구기관 : 제1법칙 위배

② 제2종 영구기관 : 제2법칙 위배

2 열 효율과 성적계수(성능계수)

① 효율   입력 출력  

    _

_

② 성능계수 ′_{′   } 입력 출력

_  

_

 __

_

∴ _  _  

_  

_

 __



_ : 냉동기 효율

_ : 난방기 효율

(5)

3 카르노 사이클(carnot cycle)

①  _{ }





 ∆ 











[kJ/K],[㎉/K]

② _   _

_

   _

_

   _

_ ^_

_

 _

_

: 가역과정일때

_

_

≠ _

_

: 비가역과정일때

※



^^



^ 유용 E : ___ _∙_ _∙ ∆∙ ∆









 무용 E : __ ∆∙__^{  }

4 엔트로피 변화량

5 클라우시우스 적분

① 가 역 :



^^_^^{ } ^∴



^^_^ ^{≤ }

② 비가역 :



^^_^ ^{ } ^{∴ ∆}^^{가역  ∆}^^비가역

6 Joule-Tompson 계수

① _ 



^





_{  } ^①^^  , 실제기체

∆  ∆    

② _  , 이상기체

(6)

Ⅴ. 제5장 증기

1 물의 증발 : 이상기체 아님

① 과냉액 ⇒ 포화액 ⇒ 습증기 ⇒ 건화증기 ⇒과열증기

└ (포화온도)일정 ┘ m=1[㎏], P : 일정

②   전체질량

증기질량 (%) ⇒ 건조도

∴          

③   전체질량

액체질량 (%) ⇒ 습도

2 증기선도

① 액 체 열 : _



^^^{∙ }^^^^^^^^^^^^{ ∆}

② 증발잠열 :    _ ∆ _:포화액

_:건포화증기)

③ 과 냉 액 : _



^^^{∙ }^^



^^^∙^^^^^^^{ ∆}

① _ _ ^ _ ^②^_ ^_

③ __ ^_ ^{④ } _ ^ _

※ 대신    를 넣고 습도로 표현 가능

(7)

3  ∼  선도 : 증기압축 냉동 사이클

① : 응축기 출구, 팽창밸브 입구, ② 팽창밸브 출구, 증발기 입구

③ : 증발기 출구, 압축기 입구, ④ 압축기 출구, 응축기 입구

  

  ^ _

^ _

4 열역학적 상태량

① 증발잠열   _ _^_^^^_ ^{ }

 

② 포화액⇒건포화증기 ∆_{ }

_

  _

^ _

③ 과냉액⇒포화액 ∆



_





__{∙ }





_∙ ln



^^

_



^^^{:포화증기절대온도}

④ 건포화증기⇒과열증기 ∆



_





__{∙ }





_∙ ln



^^





^^{:과열증기절대온도}

5 교축현상

(8)

Ⅵ. 제6장 혼합가스, 반 완전가스, 공기

1 달톤의 분압 법칙

① _ 



  



_

2

① _ 



  



_∙_

3

① _∙   ∙_∙ ※ 혼합가스도 이상기체 취급

4

① _ 



  



_∙_

5

① ∆ ∆_ ∆_





^^^∙^^^^{∙ ln}



^^

_



^{ }^^^^{∙ ln}



^^

_



^



^^^^^^{∙ ln}



^^

_



^{ }^^^^^{∙ ln}



^^

_



6 압축성계수

①  _{ }

∙

∙

: 압축성계수, Z = 1 : 이상기체

온도가 높고 압력이 낮음, 비체적이 크면 실체 기체도 이상기체가 될 수 있다

7 실제 기체의 상태방정식

①



^^{ }





^∙^^^^{ }^^{ }^^∙^  : 분자 기체의 부피 관련 상수

 : 분자간 인력과 관련된 상수

8 상태습도

①   _

_

×    _

_

×  _ : 수증기 분압

_ : 포화습증기 분압

Ⅶ. 제7장 가스 및 증기 유동 : 노즐, 터보 ⇒ 개방계

1 노즐 유동 : 단열 유동

① 



^^^ _ ^②^′   ∙

③   _

_′

(_′ : 노즐출구실제속도(속도계수) ④ 



_^_^



 _ _

_^_^ ^ _

(9)

2 비가역 단열변화

① 단열효율(노즐효율) :   ^ _

^ _′

 ^_

^_′ ^^ : 노즐입구온도

_ : 노즐출구온도

3 임계상태

① _ _∙



^ 





^^{  }^ ^{② }^ ^{ }^^∙



^

 



^^{  }^

③ _ _∙



^ 





^④^^^

^

^^^∙^^∙^^

※   _∙_∙_ _{ }

_

^∙_

Ⅷ. 제8장 압축기 ⇒ 압축률 구하기

1 통극비

① 통극비   _

_

  __{ }



 ∙^

∙

_ : 통극체적

_ 행정체적

 : 행정

2 압축비

①  압축비   _

_

 _

^_

   



3 압축일

①

(10)

4 체적효율(_)

① _     



^^

_



^^^  : 폴리트로픽지수

 : 통극비

5 2단 압축기

① _ 



^_∙_ _∙



^^^

_

6 3단 압축기

①   ∙



^ ^^^

_

    ∙



^ ^^^

_

Ⅸ. 제9장 가스 동작 사이클

공기표준 사이클의 기본 가정

① 비열이 일정한 완전가스 동작 물질

② 밀폐 사이클 : 고 열원(열) ⇒ 저 열원(방출)

③ 압출/팽창 : 가역단열 변화

④ 열 해리 현상이 없는 모두 가역과정

1 Otto cycle

①⇒② : 단열압축, ②⇒③ : 정적가열, ③⇒④ : 단열팽창, ④⇒① : 정적방열

※ _    _

_

  



^





^{  }

※   _

_

 _

_

∴ 압축비()가 클수록 열효율 증가

(11)

2 Diesel cycle

①⇒② : 단열압축, ②⇒③ : 정압가열, ③⇒④ : 단열팽창, ④⇒① : 정적방열

※ _    _

_

  



^





^{  }^∙



^_^_{  }^^{ }



㉮ 압축비   _



 _



㉯ 연료 단절비   _



※  에 따른 _ 값의 변화

㉮ 압축비 증가 ⇒ 열효율 증가

㉯ 연료 단절비 증가 ⇒ 열효율 감소

㉰ 압축기() : 13~20 적당

3 Sabatbe cycle : 2중 연소 사이클 (고속디젤 기관의 이상 사이클)

①⇒② : 단열압축, ②⇒②´ : 정적가열, ②´⇒③ : 단열팽창, ④⇒① : 정적방열

※ _    



  



^





^{  }^∙



^_{  }_∙   

 ∙ ^ 



㉮ 압축비   _

_

㉯ 연료 단절비   _

_

㉰ 폭발비   _

_^′

 _

_

※    : 사바테 = 디젤 효율

※    : 사바테 = 오토 효율

※ 최고압력, 초온, 초압, 가열량 : 일정 _  _  _{ }

※ 최저온도, 공급열량, 압축비 : 일정 _{ }  _  _

(12)

4 Brayton cycle : 2정압, 2단열 “등압연소 줄 사이클 (항공기, 자동차, 발전소, 선박)

①⇒② : 압축기, ②⇒③ : 연소기(_), ③⇒④ : 터빈, ④⇒① : 방열(_)

※ 효율 _    _

_

  



^





^^{  }^ ^{   }_^_^^{   }_^_^

※ 압력상승비 :   _

_

 _

_

※ 압축기 효율 : _  ^′ _

^ _

 실제

이론 ㊀ 일이므로 실제 변화가 커도 이론보다 적음

※ 터빈 효율 : _  ^ _

^ _′

 이론 실제

※ 압축기 : _ 



^^∙_

(13)

Ⅹ. 제10장 증기동력 사이클

1 Rankine cycle : 작동유체 ⇒ “물”, 2개의 정압변화 및 2개의 단열변화 (화력/원자력/선박)

①⇒② : 보일러, “정압가열과정(_)” ②⇒③ : 터빈, “단열팽창과정(_)”,

③⇒④ : 응축기, “정압(등온)방열과정()”, ④⇒① : 급수펌프, “단열압축과정(_)

※ 효율 _  ^ _

^ _^^ _ ※ 펌프일을 무시하면 : _  ^ _

^ _

※ 터빈=^ _^{, 펌프=}^ _

※ 증기소비율 :  _{ }

_

 [㎏/㎾h] ※ _ _ _

※ 터빈에서 단위에너지 발생시 소요되는 증기량

※ 열효율증가 : _는 크게, _는 작게, ∆는 크게, 과열도는 크게, Carnot cycle

Ⅺ. 제11장 냉동 사이클

1 가역(이상) cycle : 역 카르노 사이클, 2개의 등온변화 및 2개의 단열변화 (성적계수가 가장 큼)

①⇒② : 단열팽창 ②⇒③ : 등온팽창(흡열)

③⇒④ : 단열압축 ④⇒① : 등온압축(방열)

※ _  

_

 _ _

_

 __

_

※ _  

_

 __

_

(14)

2 공기냉동 cycle : 역 브레이튼 사이클

①⇒② : 단열팽창(터빈) ②⇒③ : 정적흡열(_)

③⇒④ : 단열압축(압축기) ④⇒① : 정압방열(_)

※ _  

_

 

_

 

_

3 증기압축 냉동 cycle

①⇒② : 압축기(단열압축) - 증발기에서 증발된 냉매를 압축하고 응축기로 보냄

②⇒③ : 응축기(등온압축) - 압축된 고온·고압의 냉매를 물/공기로 냉각하여 응축시킴

③⇒④ : 팽창밸브(단열팽창) - 적정량의 액체냉매를 증발기로, 고압냉매는 저온저압 수증기가 됨

④⇒① : 증발기(등온팽창) - 실제“냉동”이 일어남, 열을 얻은 냉매가 증발

※ _  

_

 ^ _

^ _

 ^ _

^ _

_ 





_

※ _ : 냉동효과

※ 냉동능력 : _  ∙ _ [kJ/s], [kw]

※ 1[RT] = 3,200[㎉/h] = 3.86[kw]

(15)

4 스털링 cycle : 2정적 2등온 사이클

5 에릭슨 cycle : 2등압 2등온 사이클

※ 열 역학 법칙

1 제 “0” 법칙 : 열 평형의 법칙(온도 추정의 기초)

① 온도가 서로 다른 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체의 온도는 내려가고 낮은 온도의 물체온도는 올라가서 결국 두 물체는 열평형의 상태에 이른다

2 제 “1” 법칙 : 에너지 보존의 법칙

① 열과 일은 에너지의 한 형태로 열 ⇒ 일, 일 ⇒ 열로 변환이 가능하다. 밀폐계가 임의의 사이클을 이룰 때 열전달의 총화는 이루어진 일의 총화와 같다

② ∙, ∙

:일량[㎏·m], :열의일당량[427[㎏·m/㎉]

:열량[㎉], _{:일의열당량[ }



 [㎉/㎏·m]

※ 엔탈피 : 유체 1[㎏]이 가지는 열에너지  ^ ^∙

3 제 “2” 법칙 : 비 가역 과정, 에너지 변환의 실현가능성- 실제적 법칙

① 고온의 열이 저온으로 이동하는데, 일로 전환시키기 위해서는 특수한 장치가 필요하며 효율이 낮다

※ 2종 영구기관 : 열 ⇒ 일 의 효율이 100[%]인 기관, 제2법칙 위배

※ 카르노사이클 : 2 등온, 2 단열, 효율이 가장 좋음

※ 엔트로피 : 열에너지로 기계적 일을 하는 과정, 열의 이용가치 ∆_{ }



∆

(16)

4 제 “3” 법칙 : 네른스트의 열 정리

① 온도를 낮추는 것은 어렵고 완전히 절대영도에 도달하는 것은 불가능하다. 온도가 절대온도에 접근하면   

 의 엔트로피도 “0”에 접근하게 되지만 _이 절대온도가 될수 없으므로 열기관의 효율은 100%가 될수 없다

※ 비가역과정 : 한 일은



^^{∙ }^와 같지 않고, 열전달도



^^{∙ }^^{와 같지 않다}

※ 상태량 – 점 함수, 경로에 무관

※ 열

일 - 경로 함수, 불완전 미분방정식

(17)

Ⅻ. 제12장 연소

연료

발열량 고위발열량

자위발열량 탄소(C) 수소(_)

공기(_) : 완전연소

1 탄소의 완전연소

①  + _ = _ ※ 건 공기중 _의 비율 : 23%

② 1[k㏖] 1[k㏖] 1[k㏖] ※ 공기의 질량 = 

  

  

③ 12[㎏] 32[㎏] 44[㎏]

④ 1[㎏] 

 [㎏] 

 [㎏]

2 수소의 완전연소

① _ + 

_ = _ ^{※ 건 공기중}_의 비율 : 23%

② 1[k㏖] + 0.5[k㏖] = 1[k㏖] ※ 공기의 질량 = 

  

  

③ 2[㎏] 16[㎏] 18[㎏]

1[㎏] 8[㎏] 9[㎏]

22.4[N·㎥] 11.2[N·㎥] 22.4[N·㎥]

※ 

  

=34.78[㎏] 공기가

수소 1[㎏] 연소시 필요하다