열역학의 기본 개념 이영우 교수님 14조 김우진 오현영 발표일 10.14

목차 1.열역학 법칙 소개-0,1,2,3법칙 2.열기관 효율- Carnot Cycle 3.가용에너지 수지

열역학 제 0법칙 “두 물체 A와 B가 각각 다른 물체 C와 열적 평형을 유지하면, 이 두 물체 사이에도 열적 평형이 유지된다.” 관찰되는 현상-주위환경보다 뜨거운 물체는 식고, 찬 물체는 데워져서 한참 뒤에는 물체의 온도가 주위환경과 같아진다. 온도 추측의 근거 제시

열역학 제 0법칙 모식도 A B C = 이고 = 이면 = (equilibrium)

열역학 제 0법칙과 평형 (EQUILIBRIUM) 평형 : 정적인 조건 (static condition) 변화가 없다. 거시적인 척도에서 변화가 일어나려는 경향이 없다. 추진력이 없다. (no driving force) 힘이 정확하게 균형을 이루고 있음. 추진력의 예 : 기계적인 힘 – piston에 걸리는 압력, 온도차-heat flow 발생 ,화학 potential ex)열적 평형, 화학적 평형

Joule 의 실험 James Prescot Joule (1818-1889) Joule’s Law : * 교반기가 물에 한 일을 정확히 측정. * 교반 물의 온도 변화(상승)를 관찰 “work와 heat 사이에 정량적인 관계가 존재하며, heat도 역시 energy의 한 형태이다.“ 라는 것을 발견. 추의 위치에너지 변화 -> 물을 교반하는 일(W)->마찰열(Q)                                                                                회전 Joule’s Law : “Energy used up in one form reappears in another and is never lost”

일과 열과의 관계 dW= Fdx = pAdx = pdV

열역학 제 1법칙 열역학 제 1 법칙 - 모든 일반적 과정에서의 Energy 보존 법칙 “에너지는 여러 가지 형태를 가질 수 있지만 에너지의 총량은 일정하다. 그리고 에너지가 하나의 형태로 사라지면 그것은 동시에 다른 형태로 생겨난다.” “계(system)와 외계 (surroundings) 사이에 일어나는 에너지의 합은 일정하다.” Δ(계의 에너지) + Δ(외계의 에너지) = 0   

특수한 변화과정에서의 열역학 제 1 법칙 단열과정: 계 내외로 열 전달이 없는 과정, Q=0 U2-U1 = dU = -W 단열팽창: W > 0, U 감소 단열압축: W < 0, U 증가 열이 출입할 수 없을 정도로 급격한 변화는 근사적으로 단열과정이라 할 수 있다. 등적과정: 부피가 일정한 과정, 계가 일을 하지 않으므로 W = 0, U2 - U1 = dU = Q 등압과정: 압력이 일정한 과정, p = 일정 dU, Q, W 중 항상 0인 것은 없다. W = p (V2 - V1 ) 등온과정: 온도가 일정한 과정, T = 일정 DU, Q, W 중 항상 0인 것은 없다.

열역학 제2법칙 “순환 과정에서 heat를 낮은 온도에서 높은 온도 쪽으로 전달되게 할 뿐, 다른 효과를 나타내지 않는 공정은 있을 수 없다.”  낮은 온도 level 에서 높은 온도 쪽으로, 그 자체로 열을 전달 시키는 공정은 없다. (제2 영구기관의 부정) Rudolf Clausius (1822-1888)

열역학 제 2법칙 “순환과정에 있어 한 heat reservoir로부터 열을 받아 일로 변환시키는 효과 이외에 아무 다른 효과가 나타나지 않도록 운전되는 장치는 없다.” ⇒ 받은 열을 100% 모두 일로 변환시키는 system은 없다. 열역학 제 2 법칙 ⇒ 과정이 진행되는 방향에 대해 제약을 부과. 제 2법칙은 열에서 일이 생성되는 것을 금지하는 것이 아니고, 임의의 순환과정에서 일로 전환될 수 있는 heat의 분율에 대해서 어떤 한계를 두는 것 Thomson, Sir William (Baron Kelvin, 1824-1907)

가역공정 (THE REVERSIBLE PROCESS) 가역공정 : 외부조건에 미소한 변화가 일어나면 어느 시점에서라도 그 방향이 반대로 될 수 있는 공정 <가역공정에 대한 요약> 마찰이 없다. 평형으로부터 결코 미소한 폭 이상으로는 벗어나지 않는다. 연속적으로 일련의 평형상태를 거친다. 구동력은 그 크기가 미소한 정도이다. 외부조건의 미소변화에 의하여 어느 지점에서라도 역전될 수 있다 역전되면 공정이 지나온 경로를 다시 되돌아가서 계와 외계는 초기 상태를 회복하게 된다.

제 2법칙과 엔트로피(entropy) 엔트로피:무질서의 척도, 가역 과정에서 적용됨. 경험식. 이상 기체에 대한 식 For ideal gas, v=const

열역학 제 2법칙의 요약 열역학 제1법칙에 대한 방향성의 고려 열역학 제 2법칙에 의하면 엔진의 열효율 높이는 것이 주요 관심사 라고 볼 수 있음.. 그러나 실제로 열기관에서는 고온의 열원에서 열을 얻어 이 열의 일부를 냉각기 같은 저온열원으로 흘려보내는 과정에서만 일을 할 수 있고,고온에서 얻은 열을 전부 일로 바꿀 수는 없다. 따라서 다만 하나의 열원에서 열을 받아 이것을 일로 바꾸되 그 외에 어떤 외부의 변화도 일으키지 않는 열기관, 즉 제2종 영구기관은 원리적으로 제작이 불가능하다고 할 수 있다.

열기관의 효율 Thermal efficiency

Carnot Cycle ① a → b : 단열압축 ② b → c : 등온팽창 ③ c → d : 단열팽창 ④   d → a : 등온압축 이상기체에 대한 Carnot 사이클을 나타내는 PV 선도

Carnot cycle on a TS Diagram. 1-2 단계: isothermal absorption (포화액체의 물로부터 포화증기의 수증기를 생산) 2-3 단계: reversible adiabatic expansion (포화액체와 포화증기의 wet vapor 생산, 2상 영역) 3-4 단계: isothermal rejection (응축공정으로 온도 TC에서 heat의 등온방출, 부분응축) 4-1 단계:  isentropic compression ( cycle의 마감. Point 1에서 포화상태의 물을 생산) Carnot cycle on a TS Diagram.

Nernst, Walter Herrmann (1864~ 1941) 열역학 제 3법칙 절대영도(0 K)에서의 엔트로피에 관한 법칙 엔트로피에 대한 절대적인 기준 제시 but… 실제적으로 절대 0도에 도달 할 수 없음 Nernst, Walter Herrmann (1864~ 1941) “절대온도 0도에 있는 모든 완전한 결정형 물질(crystalline)의 절대엔트로피 (absolute entropy)는 0이다.”

Available Energy 가용에너지 : 일의 발생 시스템에 있어 두 주어진 상태 사이에서의 이상적인 유용일 해석의 기준 : 대기압과 상온. 즉, Patm=1bar, Tatm=25℃=298.15K의 가정을 기준으로 함 계에 일어난 최대 일로 가용에너지를 정의함 높은 온도와 압력 및 높은 화학 포텐셜을 가진 물질계로 부터 얻음 1)가역과정 닫힌 계의 가용에너지

*가역과정에서의 가용에너지 감소량은 정상류에서 얻을 수 있는 최대의 일임. Available Energy  정상상태 열린 계에서의 가용에너지 수지 정상 상태 가용에너지 변화량과 일과의 관계 *가역과정에서의 가용에너지 감소량은 정상류에서 얻을 수 있는 최대의 일임.

Available Energy 가역과정이 아닌 경우 정상상태 열린계에 대해서 손실된 일의 열역학적 의미 와 계의 상태를 알 때 그 값을 계산할 수 있도록 방법을 제시해 줌

감사합니다.

14장 문제 1. entropy에 대해 설명하시요. 2.Carnot 사이클 P-V-T 관계를 설명하시요. 엔트로피:무질서의 척도, 가역 과정에서 적용됨. 경험식. 이상 기체에 대한 식. 열역학2법칙에 대한 물성치 2.Carnot 사이클 P-V-T 관계를 설명하시요. 3.가용에너지란 무엇인가? 일의 발생 시스템에 있어 두 주어진 상태 사이에서의 이상적인 유용일 …계에 일어난 최대 일로 가용에너지를 정의함