열역학1 - 열역학의 기초 용어 설명

열역역학이란 ? 

에너지와 엔트로피의 과학, 간단히 말하면 열과 일, 그리고 이와 관련된 물질의 상태량을 다루는 과학. 다양한 실험적 관찰을 통해서 발견한 사실들을 법칙으로 만들었으며 이것이 열역학 제 1법칙(에너지 보존법칙), 제 2법칙 및 제 3법칙 이라고 한다. 이 세 법칙 외에 논리적인 전개 측면에서 제 1법칙보다 앞서는 열역학의 제 0법칙을 설정하였다.

 

검사 체적과 질량

시스템(System) 

연구 대상인 일정량의 물질을 포함하는 장치 또는 이러한 장치들의 조합. 장치 또는 장치들의 조합을 일반적으로 그리고 막연히 기술 때 시스템이라는 용어를 사용하기도 한다.

 

검사 체적(Control Volume, 개방시스템) 

검사면을 설정하여 그 안에 질량과 장치가 있을 때 그때 물질이 들어오고 나갈 수 있을 때를 검사 체적이라 한다. 이때 에너지의 출입은 가능하다. 

 

검사 질량(Control Mass, 밀폐시스템) 

검사면을 설정하여 그 안에 질량과 장치가 있을 때 그때 물질이 들어오고 나갈 수 없을 때를 검사 질량이라고 한다. 이때 에너지의 출입은 가능하다.

  

물질의 상태와 상태량

상(Phace) 

공간적으로 균일한 다량의 물질 예를 들면 액체와 기체는 서로 다른 상이 된다. 서로 다른 상이 함께 존재할 때, 각 상은 경계(phase boundary)에 의해 서로 구분된다.

 

상태(State) 

어떠한 물질에 어떤 압력과 온도로 존재할 때 어떠한 상태에 있다고 한다. 같은 상이라도 상태는 다를 수도 있다. 

 

상태량(Property) 

관측 가능한 거시적 상태량 (Ex. 압력, 온도, 내부에너지, 엔탈피 엔트로피)

강성적 상태량(intensive property) : 질량에 무관한 상태량 (온도, 압력, 비체적)

종량적 상태량(extensive property) : 질량에 비례하는 상태량 (체적 엔탈피)

  

과정과 사이클

과정(Process) 

한 상태에서 다른 상태로 변화할 때를 과정이라고 한다.

사이클(Cycle)

시스템이 여러 가지 상태 변화 또는 과정을 거쳐서 처음 상태로 돌아오는 것.

온도 - 체적선도

T-V선도라고도 한다

  

포화 액체 선 : 각 압력에서 포화과정이 시작하는 점들을 모아서 이은 선, 건도가 0이다.

포화 증기 선 : 각 압력에서 포화과정이 끝나는 점들을 모아서 이은 선, 건도가 1이다.

임계점 : 포화 증기선과 포화 액체선이 만나는 지점으로써 압력이 이 임계점을 넘어가게 되면 액체와 기체의 구분이 없어지므로 유체라고 한다.

 

압력 – 온도 선도

P-T선도라고도 한다.

융해 곡선 : 고체가 액체로 변하는 점들을 모아서 이은 선

승화 곡선 : 고체가 기체로 변하는 점들을 모아서 이은 선

증발 곡선 : 액체가 기체로 변하는 점들을 모아서 이은 선

삼중점 : 융해, 승화, 증발 곡선이 만나는 지점으로써 이 지점에서는 고체 액체 기체 세 가지 상 이 동시에 존재 할 수 있으며, 물 같은 경우 삼중점의 온도는 0.01℃이다.

  

열역학 상태량표 찾는 법

2가지 상태를 안다면 상태량표에 일치하는 2가지 상태를 맞추어 다른 상태를 찾아 낼 수 있는데 포화 상태일 경우 건도를 구하여야 다른 상태를 구할 수 있고 상태량표에 없는 값들은 보간법을 이용하여 구할 수 있다.

보간법

과열 상태일 때 물질 상태량표

압력 : P
온도	비체적	내부에너지	엔탈피	엔트로피

압력과 온도를 알고 있을 때, 나머지 상태량을 보간법으로 구하고자 할 때 다음과 같은 방법으로 구하면된다. 엔탈피로 예를 들겠다.

 

위 식과 같은 비례식을 이용하여 공식을 유도하면

나머지 상태량을 알기 위해선 마찬가지로 엔탈피 대신에 엔트로피나 내부에너지 같은 상태량을 대입해 주면되고, 알고있는 상태량이 온도 압력이 아니라 비체적과 압력이라면 온도 대신에 비체적을 넣어주면 된다.

  

건도의 정의 및 다른 상태량과의 관계

건도 : 포화상태일 때 포화증기가 차지하는 비율로써 으로 정의된다.

공식 :

여기서 소첨자 g는 포화증기의 상태량을 나타내며 소첨자 f는 포화액체에서의 상태량을 나타낸다. 

  

이상기체의 정의 및 상태 방정식

이상기체 : 이상기체법칙을 따르는 기체로 구성분자들이 모두 동일하며 분자의 부피가 0이고, 분자간 상호작용이 없는 가상적인 기체이다.

공식

P : 압력, V : 체적, m : 질량, R = 기체 상수, T : 온도

  :일반 기체상수(8.3145 kJ/kmol-K), n : 분자 수

압축성 인자(Z) : 일반 기체가 얼마나 이상기체에 가까운지 나타내주는 척도로 정의되며, 실제 기체의 부피를 이상기체의 부피로 나눈 값이다. 압축성 인자가 1에 가까울 수록 이상기체와 가깝다고 볼 수 있다.