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열역학
열역학:
열과 일의 관계를 다루는 학문. 열을 포함한 자연계의 에너지 흐름을 역학적으로 풀이온도:
물체의 차고 뜨거운 정도를 수치화.화씨온도: 물이 어는점을 32, 끓는점을 212화씨로 두고 이 사이를 180등분한 것 섭씨온도: 물의 어는점과 끓는점 사이를 100등분한 것
절대온도:
열역학적 이론으로 가장 낮은 온도를 0켈빈. 즉, 마이너스가 없는 온도 단위. K[켈빈]열:
온도차를 갖는 두 계 사이 전달되는 에너지의 형태. 에너지 전달 방법의 일종. [J]열량: 고온에서 저온으로 이동하는 열의 양. 열량Q=열용량C*온도차이t =질량m*비열c*온도차이t
내부에너지:
한 계에 일이나 열을 공급하고, 그 계가 외부로 일을 하지 않고 열도 전달하지 않는 다면, 공급된 에너지는 이 계의 내부에너지로 저장. 흡열 과정은 내부에너지가 증가, 방열과정은 내부에너지가 감소.비열:
단위 질량의 물질을 단위온도만큼 높이기 위해 필요한 에너지의 양. 에너지 과정에 따라 정적비열과 정압비열로 나뉨. 정압 정은 팽창에 필요한 에너지도 공급 되어야하기 때문에 정압비 열이 정적비열보다 항상 크다. [J/kg.k]열용량:
어떤 물질을 단위온도만큼 높이는데 필요한 열량. 같은 질량의 물체라도 열용량이 클수 록 온도변화에 더 많은 에너지가 필요함. [J/K]=질량m*비열c잠열:
물체에 열을 가할 때 온도가 변하지 않는 경우 물체의 상이 변화하는데, 이에 관여하는 열.현열:
물체에 열을 가할 때 상태변화 없이 온도를 변화시키는데 사용된 열량.엔탈피:
물질이 가지는 에너지의 양. 에너지의 절대량은 측정 불가능하지만 반응 전후의 엔탈피 차이는 계산 가능. 계의 내부에너지와 외부에 한 일의 합으로 구성. [J]. H=U+PV엔트로피:
물질의 무질서도를 의미하는 상태량. 일로 변환시킬 수 없음. 에너지가 아니며 측정도 할 수 없는 상상적인 양. 엔트로피는 절대 감소하지 않으며 가역반응에서는 불변, 비가역반응에 서는 증가. 자연현상은 대부분 비가역반응이므로 엔트로피는 항상 증가한다고 봐도 무방. 엔트2 로피의 크기는 열량과 온도의 비로 정의[J/K]
계(system):
물질의 일정한 양 또는 공간 내 한정된 구역 개방계: 계와 주위가 열, 일, 물질 전달밀폐계: 계와 주위가 열과 일만 전달, 물질은 전달 x 고립계: 계와 주위는 상호작용 x
주위:
계의 외부열역학 제 0법칙:
두 물체와 제 3의 물체가 열적 평형을 이루면, 이 두 물체도 열적 평형을 이 룬다.제 1법칙:
(에너지 보존 법칙) 고립계에서 에너지는 창조/파괴되지 않으며 단순히 형태만 변화.열과 일은 서로 변환 가능함을 설명. 닫힌계에 가한 열은 계의 내부에너지 변화량과 외부에 한 일의 합과 동일.
제 2법칙:
(엔트로피 증가 법칙) 엔트로피는 절대 감소하지 않으며 일정하거나 증가한다. 에너 지 흐름의 방향성을 제시하고 비가역성을 설명한다. 이를 통해 일은 열로 모두 변환 가능하나 열은 일로 모두 변환할 수 없음을 설명 가능.일->열: 브레이크를 밟으면 속도(운동에너지=일)는 마찰열(열에너지)로 변화. 열에너지로 모두 변환되면 차는 멈추게 됨.
열->일: 열기관에서 고열원에서 일을 계속 생산하기 위해서는 저열원으로 열을 방출해야 가 능.
제 3법칙:
(절대온도 법칙) 절대온도가 0에 가까워질수록 엔트로피 변화는 일정한 값에 근접하 며 그 계에서 가장 낮은 상태의 에너지를 가짐. 열적 평형 상태에 있는 순수 물질은 절대0도에 서 엔트로피 변화가 0. 따라서 절대0도로 물체의 온도를 낮추는 건 불가능.영구기관:
열역학 제 1법칙 또는 제 2법칙을 위반하는 장치. 실현불가능.제 1종 영구기관: 열역학 제 1법칙 위반. 외부로부터 에너지를 받지 않고도 영구히 일을 할 수 있음
제 2종 영구기관: 열역학 제 2법칙 위반. 열원 간의 온도 차이 없이, 즉 외부에 아무런 변화 없 이 열을 일로 바꿀 수 있음.
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열효율을 급격히 높였다면 열역학 제 1/2법칙을 위배했는 지부터 살펴봐야함. 만약 영구 기관이라면 실현 불가능하기 때문.
보일의 법칙:
온도가 일정할 때, 기체의 압력과 비체적은 반비례. 풍선이 하늘로 올라가면 압력 이 낮아지고 체적이 커짐.샤를의 법칙:
압력이 일정할 때, 기체의 온도와 비체적은 비례. 찌그러진 탁구공을 가열하면 펴 짐. 온도가 증가해서 부피도 증가.이상기체:
질량과 에너지는 가지지만, 분자의 체적이 없고 분자간의 상호작용을 하지 않는 기체.보일-샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙을 만족하는 기체.
이상기체 상태방정식: 이상기체의 특성을 설명. 보일-샤를의 법칙과 아보가드로 법칙을 포함. 이 식으로 분자량 계산 가능. PV=mRT(m: 유체질량), PV=n𝑅̅T(𝑅̅: 기체상수), Pv=RT(R: 일반기체상수) 일반 기체 상수: 아보가드로 법칙으로 구할 수 있는 상수. 일반 기체 상수= 기체상수*분자량
아보가드로 법칙: 온도와 압력이 일정할 때, 같은 체적 속 분자의 개수는 기체의 종류와 관계없 이 동일.
돌턴의 분압법칙:
하나의 밀폐용기 속에 화학반응을 하지 않는 서로 다른 이상기체들을 넣으면 이 용기에 작용하는 전체 압력은 각 이상기체들의 압력의 합과 동일사이클:
계가 과정(process)의 마지막에 처음 상태로 돌아온다면 이는 한 사이클을 겪었다고 표 현 가능.증기:
기화나 액화가 잘 일어나는 상태의 동작물질가스:
기화나 액화가 잘 일어나지 않는 상태의 동작물질비가역성:
어떤 상태변화가 한 방향으로는 저절로 일어나지만, 역방향으로는 저절로 일어나지 않 는 것. 열의 이동방향으로 설명 가능.카르노 사이클:
열기관의 이상 사이클로 최대 효율을 가지는 가역 사이클. 이상기체를 작업물질 로 사용. 열역학 제 1법칙인 일과 열의 교환을 보여주는 대표적인 사이클.2단열+2등온(등온팽창->단열팽창->등온압축->단열압축) 효율: 외부에 한 일/고열원에서 흡수한 열=1-(T저/T고)
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열기관:
열을 일로 바꾸는 기관. 고열원에서 열량을 공급받아 일을 하고 저열원으로 남은 열량을 방출. 터빈 또는 내연기관.열효율: 열원 간의 열량 차이에 해당하는 에너지만큼 일을 함. 열효율은 외부에 한 일과 공급 열량의 비=W/Q. 열효율이 클수록 좋다.
교축 과정:
유체가 급격히 좁은 통로를 통과하며 열이나 일을 받지 않고도 속도가 증가하고 압 력이 강하하는 과정. 팽창하며 열에너지나 압력에너지를 운동에너지로 변환. 엔탈피 동일. 엔트로 피 증가. 단열과정. 때로 큰 온도 강하를 유발=냉동장치나 공기조화장치에 사용온도 강하: 교축 과정은 압력을 강하=끓는점이 낮아짐(보일-샤를의 법칙)=액체의 일부가 증발 하기 위해 열을 흡수
예: 노즐, 교축밸브
랭킨 사이클:
증기 원동소의 이상 사이클. 펌프-보일러-터빈-복수기(condenser). 2단열+2정압 펌프로부터 압축 수를 받아 보일러에서 정압가열, 과열증기->터빈에서 단열팽창=일, 습증기->복 수기에서 정압방열, 포화수->펌프로 단열 압축하여 보일러로 보냄효율: (터빈이 한 일 – 펌프가 한 일) / 보일러에서 받은 열량
랭킨 사이클의 효율을 높이는 방법: 증기의 초압이나 초온을 높이고 배기압을 낮게.
초온을 높이는 것은 재료의 강도에 제한, 배기압을 낮추는 건 냉각 수온에 제한. = 초압을 높이 는 것이 가장 현실적
재열 사이클:
기존 터빈1개를 고압/저압 터빈 2개 사용. 열효율보다는 수명 연장에 주목. 초압 을 높이면 팽창 후 증기의 습도가 높아져 터빈의 부식 등 해를 유발. 이를 해결하고자 초압은 높이면서 팽창 후 증기의 습도가 높아지지 않도록 고안된 사이클.재생 사이클:
복수기에서 열을 버리고 나온 포화수를 가열하기 위해 열량이 상당히 필요=비효 율적. 터빈에서 증기를 일부 추출하여 급수가열기로 가져온 다음, 복수기를 통과한 포화수를 가 열하는데 사용=효율적. 펌프가 할 일을 줄여서 열 효율을 높인 것.5
냉동사이클:
냉매를 작동물질. 증발기-압축기-응축기-밸브. Ex)역카르노 사이클냉매는 증발기에서 흡열, 증발->압축기에서 고온/고압의 증기->응축기에서 냉각되어 액체로 전환 ->팽창밸브에서 교축 과정으로 압력 강하, 다시 증발기로 보내짐=흡열작용+냉동효과
냉매: 저온체의 열을 빼앗아 고온체로 열을 전달해주는 매체. 증발과 응축, 고온과 저온을 되풀 이하여 일정한 조건이 필요=안전할 것, 증발열이 클 것, 임계온도가 상온보다 높을 것, 응고점 이 낮을 것, 점성이 작을 것.
냉동기 성적계수(cop): 냉동효과를 표시하는 기준. 저열원에서 흡수한 열량과 공급된 일의 비=
흡수한Q/받은W
열펌프: 압축 일로 저열원에서 고열원으로 열을 전달하는 장치. 난방장치. 냉동기와 동일한 기계 이지만 저열원에서 열을 흡수할 때는 냉동기, 고열원에 열을 방출할 때는 열펌프라 부름.
열펌프의 효율(성적계수): 고열원의 열량과 일의 비 =방출한Q/받은W
