열역학 Week 1-2. Introduction & 열역학의 기본개념들 B. K. Park, Ph.D. Department of Mechanical Engineering

1.1 열역학 산업혁명 (18 ~ 19 C) 동력의 필요성: 산업 혁명이 일어나면서 광산 채굴, 방직 기계, 펌프 등 다양한 부문에서 새로운 동력원의 필요성이 제기됨 증기 기관을 비롯한 동력 기관의 발명 열역학 열과 일, 에너지의 관계를 체계적으로 규명하고, 물질의 성질과 상태를 이해하는 학문 동력원, 즉 에너지 변환장치 개발 및 연구의 기본 공업열역학: 열기관, 내연기관, 외연기관, 가스터빈, 송풍기, 냉동기 등의 공업적 응용을 연구하는 학문 http://science.postech.ac.kr/hs/collectedata/990213153733watteng.jpg

1.2 계 계 (system / thermodynamic system) 물질의 열역학적 과정을 관찰하기 위해 임의로 정한 물질의 양 또는 공간 주위 (surroundings): 계의 외부에 있는 물질, 영역 경계 (boundary): 계와 계의 주위를 분리하는 경계선. 계를 정하기에 따라 실체가 있을 수도 있고 가상의 선일 수도 있다. 밀폐계 (closed system): 일정한 양의 물질을 계로 삼은 것. 물질은 계의 외부로 들어오거나 나가지 못한다. 검사질량(control mass)라고도 한다. 개방계 (open system): 공간으로 정한 계. 물질은 계를 들어가거나 나갈 수 있다. 검사체적 (control volume)이라고도 한다. 터빈, 압축기, 노즐 등의 해석에 유용하다.

1.3 상, 상태량, 평형 물질의 상: 1. 고체: 일정한 부피와 모양 결정형 고체: 석영, 다이아몬드, 소금 등 비정질 고체: 유리 등 2. 액체: 일정한 부피, 모양은 일정하지 않음 3. 기체: 부피와 모양이 모두 일정하지 않음 4. 플라즈마: 원자를 구성하는 전자 중 상당수가 핵에서 떨어져서 전하를 띤 자유 입자들이 모여 있는 계.

1.3 Cont’d 상태량 / 성질 (property) 계의 특성을 나타내는 것 압력, 온도, 체적, 질량, 열전도율 등 강성적 상태량 (intensive property): 계의 크기와 무관한 상태량 Ex. 압력 P, 밀도 ρ, 온도 T 등 종성적 상태량 (extensive property): 계의 크기에 따라 변하는 상태량 Ex. 질량 m, 체적 V, 에너지 E 등 ※ 비상태량 (specific property): 단위 질량 당 종량적 상태량 Ex. 비체적 (specific volume): v = V/m 상태의 원리 단순 압축성 계의 상태는 2개의 독립적인 강성적 상태량에 의해 완전하게 나타낼 수 있다. 단순 압축성 계 : 전기, 자기, 중력, 표면장력 효과 등이 없는 계

1.3 Cont’d 평형 (equilibrium): 균형이 이루어진 상태. 외부로부터의 영향이 없다면 시간과 위치에 따른 변화가 일어나지 않을 경우를 말한다. 열적 평형 (thermal equilibrium): 계 내의 온도가 일정 역학적 평형 (mechanical equilibrium): 압력이 일정 상평형 (phase equilibrium): 상의 질량이 일정 화학적 평형 (chemical equilibrium): 화학적 조성이 일정

1.4 과정과 사이클 과정 (process): 계가 한 평형 상태로부터 다른 한 평형상태로 바뀌는 동안 겪는 변화 상태 1 상태 2 상태량 B 상태량 A 경로 상태 1과 2 사이의 과정 및 과정의 경로 ⇒ 준정적 / 준평형 과정 (quasi-static / quasi-equilibrium process) 과정이 진행되는 동안 내내 계의 상태가 평형에 무한히 가까울 때 이 과정을 준정적/준평형과정이라 한다. 준평형과정은 이상적인 가정이지만 (1) 해석하기 편리하고 (2) 일을 방생하는 장치는 준평형 과정으로 작동될 때 가장 많은 일을 전달하므로 실제 과정을 비교하기 위한 표준 과정으로 활용한다.

1.4 Cont’d 등온과정 (isothermal process) 정압과정 (isobaric process) 정적과정 (isochoric process) 사이클 (cycle): 계가 몇 번의 과정을 거쳐 원래의 상태로 돌아올 때 이 계는 한 사이클을 거쳤다라고 말한다.

1-5 에너지의 형태 에너지 (Energy) 온도 (Temperature) 열 (heat) 일을 할 수 있는 능력 온도 (Temperature) 춥고 더운 정도 (거시적 관점) 열의 형태로 에너지가 운동하게 하는 잠재적 능력 (미시적 관점) 분자운동이 얼마나 활발한지를 나타내는 척도 열 (heat) 물질 분자들의 운동에너지 또는 온도 차에 의해서 이동 중인 에너지 물성 (thermal property) 물질의 성질

1.5 Cont’d 미시적 관점에서의 열역학 거시적 관점에서의 열역학 단위 (SI 단위계) 분자 혹은 원자, 소립자 수준에서 물질의 상태를 설명하는 학문 물질에 대한 과학 거시적 관점에서의 열역학 열과 일의 관계를 온도, 부피, 압력과 같은 거시 변수로 거시적으로 다루는 학문 단위 (SI 단위계) 길이 (m), 질량 (kg), 시간 (sec), 전류 (A), 온도 (K), 광도 (cd), 물질량 (mol) ⇒ 열용량 (J/K), 엔트로피 (J/K), 비열 (J/kg·K), 열전도율 (W/m·K), …

운동 에너지, 위치 에너지와 같이 물체의 속도나 위치 등에 따라 변하는 에너지 1.5 Cont’d 에너지의 형태 열 에너지, 역학적 에너지, 운동 에너지, 위치 에너지, 전기 에너지, 자기 에너지, 화학 에너지, 핵 에너지 …. 이들 에너지의 총 합이 계의 총 에너지 E가 됨. 열역학은 총 에너지의 크기 자체에는 관심을 갖지 않는다. 에너지의 변화(=일)에만 관심을 가진다. 따라서 계의 총 에너지는 편의상 임의의 값을 0으로 놓기도 한다. 총 (total) 에너지 거시적 (macroscopic) 에너지 운동 에너지, 위치 에너지와 같이 물체의 속도나 위치 등에 따라 변하는 에너지 미시적 (microscopic) 에너지 1. 물체 내부의 분자가 움직이고, 진동하고, 회전하는 에너지: 감지에너지 2. 분자들의 결합 에너지: 화학에너지 3. 원자 핵의 결합 에너지: 핵에너지 내부 에너지

1.6 밀도와 압력 밀도 (density): 균일한 조성을 가진 물체의 질량을 부피로 나눈 값 비중 (specific gravity): 물질의 밀도와 4°C의 물의 밀도와의 비 비체적 (specific volume): 단위 질량당 부피. 밀도의 역수 압력 (pressure): 단위 면적당 수직으로 작용하는 힘 (단위: kg/m3) (단위: N/m2 = Pa) * 대기압: 1 atm = 1.01 × 105 Pa = 1.01 bar = 760 torr = 14.7 psi

1.6 Cont’d 압력과 물의 무게 예제 (a) 높이 h=40.0m이고 반지름 r=1.00m인 물기둥의 무게를 계산해 보라. (b) 물의 표면에서 반지름이 1.00m인 원형 부분에 공기가 작용하는 힘을 계산하라. (c) 깊이가 40.0m인 곳에서 물기둥을 받치기 위한 압력은 얼마인가? 풀이

1.6 Cont’d 유체가 용기 속에 정지해 있으면 유체의 모든 부분은 정적 평형 상태에 있어야 한다. 같은 깊이에 있는 모든 지점은 같은 압력에 있어야 한다. y1 에서의 압력 P1, y2에서의 압력을 P2라고 할 때, y1 에서의 압력 P1과 y2에서의 압력을 P2의 차이는 물 표면 (y1 = 0) 으로부터 임의의 깊이 h에서의 압력 P:

1.6 Cont’d 압력의 측정 P : 절대압력, P - P0 : 계기압력 1 기압 (atm) = 0.76 mmHg P0 = ρgh = (13.595 × 103 kg/m3)(9.81 m/s2)(0.076 m) = 1.013 × 105 Pa http://weather.about.com/od/weatherinstruments/a/barometers.htm

1.6 Cont’d 압력의 단위 http://en.wikipedia.org/wiki/Bar_(unit) 1 kgf/cm2 = 0.9807 bar = 0.96788 atm = 0.00001 Pa = 14.223 psi

1.6 Cont’d Pgage = Pabs – Patm Pvac = Patm – Pabs 절대압력 (absolute pressure): 주어진 위치에서 실제 압력 계기압력 (gage pressure): 절대압력과 그 지역의 대기압 사이의 차압 진공압력 (vacuum pressure): 대기압 이하의 압력 Patm Patm = 0 Pabs Pvac Pgage Pgage = Pabs – Patm Pvac = Patm – Pabs

1.6 Cont’d 기압계 (barometer) Patm = ρgh h W = ρghA Patm 0 ℃, 해면고도에서 수은 기둥의 높이(수은주)는 760 mm ⇒ 760 mmHg mmHg 단위는 기압계를 발명한 Toricelli의 이름을 따 torr 라고도 한다. 1 기압 (atm) = 760 Torr = 101.325 kPa 대기압은 고도에 따라, 기상 조건에 따라 변화한다.

열역학 제0법칙 (zeroth law of thermodynamics) 1.7 온도 온도: 물질의 뜨겁고 차가운 정도를 나타내는 물리량 온도를 어떻게 측정할 수 있는가? 온도 측정을 위한 기본 개념 열접촉 (thermal contact): 두 물체 사이에 에너지가 온도 차로 인해 교환될 수 있는 상태. 열평형 (thermal equilibrium): 열접촉 상태의 두 물질 간에 에너지 교환이 일어나지 않는 상태. * 온도 차에 의해 두 물질 간에 교환되는 에너지: 열 (heat) 열역학 제0법칙 (zeroth law of thermodynamics) 물체 A와 C가 열평형 상태에 있고, B와 C가 열평형 상태에 있다면, A와 B는 서로 열평형상태이다.

1.7 Cont’d 모든 온도계는 온도에 따라 변하는 몇 가지 물리적인 성질을 이용하여 온도를 측정한다. 온도에 따라서 변하는 물리적인 성질 (1) 액체의 부피 (2) 고체의 길이 (3) 일정한 부피에서의 기체 압력 (4) 일정한 압력에서의 기체 부피 (5) 전도체의 전기 저항 (6) 매우 뜨거운 물체의 색깔 등 (7) Seebeck effect 알코올 온도계, 체온계 바이메탈 서미스터 열전대 섭씨 온도(Celsius temperature): 물의 어는 점을 0°C로, 끓는 점을 100°C로 정의. 높이 차이를 100등분 화씨 온도(Fahrenheit temperature): 물의 어는 점을 32°C로, 끓는 점을 212°C 로 정의. 높이 차이를 180등분

1.7 Cont’d 등적 기체 온도계: 일정한 부피를 갖는 기체의 압력이 온도에 따라 변하는 물리적 성질을 이용한 온도계 -273.15°C: 절대 영도(absolute zero) 절대온도 (kelvin scale): 절대영도를 0으로 보는 온도 단위계이며, 1도의 단위는 섭씨 온도와 같다. (단위 K)