열역학7-열기관과 냉동기 및 열역학 제2법칙

열기관과 냉동기

열기관이란?

열기관 개략도

고온 저장조로부터 열을 받아 일을 하는 장치이다. 여기서 열을 받거나 열을 방출한 물질을 작동 물질 혹은 작동 유체라고 한다.

엄밀하게 말하면 열역학적 사이클을 따르는 기관이지만 넓게보면 열전달이나 연소에 의하여 일하는 장치로 총칭하기도 한다.

열기관 효율은 다음과 같이 계산된다.

   

냉동기(열펌프)란?

냉동기(열펌프) 개략도

냉동기(열펌프)는 일을 투입하여 저온저장조로부터 열을 빼앗아와 고온저장조로 보내주는 장치이다. 

저온저장조(차가운 쪽)를 사용하는 경우 냉동기라고하고 고온저장조(뜨거운 쪽)를 사용하는 경우는 열펌프라고 한다. 

일상생활에서 많의 사용되는 냉동기의 경우 냉장고, 에어컨 등이 있다.

열펌프의 사용 예로는 시스템 에어컨과 같이 냉난방이 둘 다 가능한 경우 난방을 이용할 때가 열펌프라고 생각하면 편하다.

냉동기의 효율은 성능계수라고 하는대 효율은 1을 넘을 순 없지만 성능계수는 1을 넘을 수 있다.

냉동기인 경우 성능계수는 다음과 같이 계산된다.

여기서 냉동기와 같은 경우 저온저장조를 사용하기 때문에 분자항이 저온저장조로부터의 빼앗는 열로 정의된다.

열펌프인 경우 성능계수 다음과 같이 계산된다.  

열펌프같은 경우는 고온저장조를 사용하기 때문에 분자항이 고온저장조로 전달하는 열로 정의된다.

열역학 제 2법칙

Kelvin-Planck 서술 

하나의 저장조와 열교환을 하여, 추를 들어 올리는 것 이외에 어떠한 효과도 내지 않으면서, 사이클로 작동하는 장치는 만들 수 없다. 

밑에 그림과 같은 경우 열효율이 100%가 되게 되는데 이러한 장치를 만드는 건 불가능하다. 

이러한 그림과 같은 열기관의 제작은 불가능하며, 일을 이용하기 위해서는 열을 반드시 버리는 저온저장고가 필요하다. 

이해하기 쉽게 물래방아를 예로 들면 물래방아를 돌리기 위해서는 물래방아 위에서 물을 흘려주어야하며 이 물은 어디에선가 버려져야 한다. 만약에 물래방에서 버려지지 않는다면 물래방아는 돌아갈 수가 없을 것 이다. 여기서 물을 열로만 바꿔주면 위의 예와 거의 비슷한 상황이다.

Clausius 서술

저온 물체에서 고온 물체로 열을 전달하는 것 이외의 다른 어떠한 효과도 내지 않으면서 사이클로 작동하는 장치는 만들 수 없다. 이는 입력일 없이 작동되는 냉동기를 만들 수 없다는 것을 의미하는데 이 경우 성능계수가 무한대가 된다. 즉 밑에 그림과 같은 장치를 만드는건 불가능하다.

이러한 그림과 같은 냉동기의 제작은 불가능하며 저온저장조의 열을 고온저장조로 올리기 위해서는 일이 필요하다.

이해하기 쉽게 물을 예로 설명해보면 아파트에서 1층에 있는 물을 퍼올려 2층으로 보내기 위해서는 펌프(일)를 사용하여야 할 것이다. 여기서 위와 같이 물을 열로 생각하면 이해하기 편하다.

고찰

① 두 서술 모두 부정하는 서술이다. 부정의 서술을 증명할 수 없다는 것은 당연하다. 그러나 열역학 제 2법칙도 실험적 근거에 기초하고 있다. 직, 간접적으로 수행되어온 모든 관련 실험에 의해서 제 2법칙이 증명 되었으며 제 2법칙에 어긋나는 실험은 없었다. 따라서 제 2법칙의 근거는 실험에 의한 검증이다.

② 제 2법칙에 대한 두 가지 서술이 동등하다는 점이다. 한 가지 서술이 진실일 때는 다른 서술도 진실이거나 한 가지 서술이 사실이 아닐 때 다른 서술도 사실이 아니라면 두 서술은 동등하다. 

③ 열역학 제 2법칙으로 제 2종 영구 기관을 만드는 것이 불가능 하다는 것을 설명할 수 있다는 것이다. 

   

두 서술이 동등하다는 것을 보여주는 예

 

영구기관

제 1종 영구기관 : 무에서 일을 발생하거나 질량 혹은 에너지를 창조하는 기관으로 제 1법칙에 위배된다.

제 2종 영구기관 : 열원으로부터 받은 열을 모두 다른 에너지로 변환하는 기관으로써 제 2법칙(Kelvin-Plank서술)에 위배된다. 

제 3종 영구기관 : 마찰이 없어서 영구히 운전하되 아무런 일도 하지 않는 기관이다.

 

제 2종 영구기관의 예