열역학8-가역 과정과, 비가역요인, 카르노 사이클

가역과정과 비가역 요인

가역과정

한번 진행된 과정이 역으로 진행될 수 있으며 그때 시스템이나 주위에 아무런 변화를 남기지 않는 이상적인 과정이다. 

용어적 의미로 보면 뒤로 돌아가는게(역) 가능하다(가)라는 의미이므로 되돌릴 수 있는 그런 이상적인 과정을 의미한다.

그럼 

비가역 요인

  ① 마찰

- 추가 내려 가면서 블록을 경사면을 따라 끌어올린다. 이 과정에서 일정량의 일이 필요하다. 일 중에는 마찰을 극복하는대 필요하며, 일부는 블록의 위치에너지를 올리는 데 필요하다. 추의 일부를 제거하면 블록은 경사면을 미끄러져 내려가 원래의 자리로 되돌아 간다. 블록이 원래의 온도를 회복하는 동안 주위로 얼마 간의 열전달이 있을 것이 확실하다. 따라서 역과정이 완료 되었을 때 주위는 처음 상태로 회복하지 않았으므로, 마찰에 의하여 비가역이 되었다고 결론을 내린다. 다른 형태의 마찰 효과로서 점성 마찰이 있다. 

  ② 불구속 팽창

- 박막에 의하여 진공과 분리되어 있는 기체에서 박막이 파열되어 기체가 용기 전체에 퍼져 나간다. 기체를 처음 상태로 회복하려면 처음 상태로 될 때까지 기체를 압축하여야 하며 그 동안 기체에서 외부로 열전달이 발생한다. 일과 열전달에 의해 주위에 변화가 있게되므로 처음상태로 돌아가지 않으며 비가역 과정임을 의미한다.

 

  ③ 유한 온도 차이에 의한 열전달

- 고온 물체로부터 저온 물체로 열이 전달된다면, 시스템을 처음상태로 회복하기 위해선 냉동기가 필요하게 된다. 따라서 주위로부터 일이 필요하며 열이 주위로 전달되어야 한다.

 

  ④ 서로 다른 두 물질의 혼합

- 서로 다른 물질이 박막에 의해 나눠져 있다가 박막이 파열되어 섞이게 되었을 때 처음상태로 돌아가기 위해선 주위로부터 일이 필요하다.

  ⑤ 다른 요인들

- 히스테리시스 효과나 전기 회로, 연소 과정도 일반적으로 비가역 과정이다. 

개인적으로 생각하는 가역과정의 쉬운 예)

개인적으로는 마찰이 없는 이상적인 상태에서의 진자 운동이 가역과정을 이해하는데 도움이 된다고 생각한다.

손실이 없는 이상적인 진자의 운동은 기본적으로 위치에너지-> 운동에너지 -> 위치에너지 ->.. 의 반복이다. 에너지의 상태를 가역 가능한 상태로 계속해서 바꾸면서 일어나게 되므로 매우 쉬운 예라고 생각한다.

하지만 마찰에 의한 손실과 같은 사항을 고려하게 된다면 이 과정은 비가역과정이 된다.

마찰에 의한 손실이 생길 경우, 진자의 운동을 하는 도중에 공기 혹은 힌지에서의 마찰이 발생하므로 에너지가 이 부분에서 미약하게나마 열로 변환하게 되고 주위로 영향을 끼치게 된다. 또한, 이렇게 발생된 열에너지를 다시 진자의 운동에너지 혹은 위치에너지로 전환시킬수 없으며, 만에하나 가능하더라도 또 다른 에너지 원이 개입하여야 하므로 처음 상태와 똑같이는 결코 되돌릴 수 없는 비가역 과정이 되는 것이다.

 

카르노(Carnot) 사이클

  두 개의  등온 저장조 사이에서 작동하는 사이클 중에서 모든 과정이 매우 이상적인 가역과정이라고 가정한 사이클이다. 카르노 사이클의 구성은 아래 설명된 것과 같이 가역 등온(정온)과정과 가역 단열과정으로 구성되어있다. T-s 선도상에서는 사각형으로 나오는데 T-s선도에서 사이클을 구성하는 면적이 열기관에서 창출하고자 하는 기계적 일임을 고려한다면, 여러 사이클이 같은 온도 조건일 경우 최대 효율을 가지는 사이클은 카르노 사이클일 수 밖에 없다. 따라서, 같은 온도 조건일때 Carnot 사이클을 능가하는 효율을 가진 열기관은 존재할 수가 없으며, 이론적으로 가장 효율이 가장 좋은 사이클이다. 밑에 그림에서 화살표대로 가면 열기관이고 반대로 가면 냉동기(열펌프)가 된다.

카르노 사이클의 개략도

 

카르노 사이클의 과정

1. 고온 열저장조와 열교환을 하는 가역 등온(정온) 과정 (A->B)

2. 작동 유체의 온도가 고온에서 저온으로 감소하는 가역 단열 과정 (B->C)

3. 저온 열저장조와 열교환을 하는 가역 등온(정온) 과정 (C->D)

4. 작동 유체의 온도가 저온에서 고온으로 상승하는 가역 단열 과정 (D->A) 

카르노 사이클의 T-s선도

※ 각 과정에 대한 간략한 설명

등온(정온)과정 : 온도의 변화가 없이 같은 온도로 진행되는 과정이다. 

단열과정 : 열이 외부로 빠져나가지 않고 진행되는 과정이다. (즉, 에너지 보존법칙 식에서 이 과정은 Q = 0 이다.)

카르노 사이클에 대한 두 가지 정리

1. 두 개의 열 저장조 사이에서 작동하면서, 가역 기관보다 효율이 더 높은 열기관은 만들 수 없다.

2. 두 개의 정온 저장조 사이에서 Carnot 사이클로 작동하는 모든 열기관의 효율은 같다. 따라서 Carnot 사이클의 효율은 작동 유체에 무관하게 온도에만 의존 한다는 것을 알 수 있다.